Электронный текст подготовлен Джеффом Спирко, Джульет Сазерленд, Джимом Лэндом и командой онлайн-корректоров Project Gutenberg.

 

 

Международная научная серия

НОВАЯ ФИЗИКА

И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ

АВТОР:

ЛЮСЬЕН ПУАНКАРЕ

Генеральный инспектор народного просвещения

Авторизованный перевод книги «LA PHYSIQUE MODERNE, SON ÉVOLUTION»

НЬЮ-ЙОРК D. APPLETON AND COMPANY 1909

Предисловие редактора

Люсьен Пуанкаре принадлежит к выдающейся семье математиков, которая за последние несколько лет дала Республике министра финансов, а Академии наук — президента. Он также является одним из девятнадцати генеральных инспекторов народного просвещения, в обязанности которых входит посещение различных университетов и лицеев Франции и составление отчетов о состоянии преподаваемых там дисциплин. Таким образом, он находится в превосходном положении, позволяющем оценить по достоинству те чрезвычайные изменения, которые в последнее время произвели революцию в физической науке, в то время как его официальный статус позволил ему оставаться в стороне от споров, вызванных открытием радия и недавними спекуляциями о строении материи.

Цель и метод М. Пуанкаре при написании этой книги достаточно полно объяснены в последующем предисловии; однако следует заметить, что даже у самого лучшего метода есть свои недостатки, и чрезмерная сжатость, которая одна лишь позволила включить открытия последнего десятилетия в области физической науки в объем около 300 страниц, возможно, затруднила усвоение изложенных здесь фактов неподготовленным читателем. Чтобы по мере возможности исправить это, я снабдил настоящий перевод оглавлением, настолько расширенным, что оно представляет собой довольно полное резюме книги, а также добавил полные указатели авторов и предметов. Немногочисленные примечания, необходимые либо для лучшего разъяснения используемых терминов, либо для сообщения об открытиях, сделанных в то время, когда эти страницы находились в печати, можно отличить от примечаний автора по подписи «ИЗД.».

РЕДАКТОР.

КОРОЛЕВСКИЙ ИНСТИТУТ ВЕЛИКОБРИТАНИИ, апрель 1907 г.

Предисловие автора

За последние десять лет в области физики накопилось так много работ и было выдвинуто так много новых теорий, что те, кто с интересом следит за прогрессом науки, и даже некоторые профессиональные ученые, поглощенные своими специальными исследованиями, чувствуют себя потерянными в путанице, которая скорее кажущаяся, чем реальная.

Поэтому мне пришла в голову мысль, что было бы полезно написать книгу, которая, избегая чрезмерного упора на чисто технические детали, попыталась бы ознакомить с общими результатами, к которым в последнее время пришли физики, и указать направление и значение, которые следует приписывать тем спекуляциям о строении материи и дискуссиям о природе первопринципов, которым стало, так сказать, модно посвящать себя в наши дни.

Я старался на протяжении всей книги опираться только на те эксперименты, к которым мы можем питать наибольшее доверие, и, прежде всего, показать, как сформировались преобладающие в настоящее время идеи, прослеживая их эволюцию и бегло рассматривая последовательные преобразования, которые привели их к нынешнему состоянию.

Для понимания текста читателю не нужно будет обращаться к каким-либо трактатам по физике, так как я повсюду привел необходимые определения и изложил фундаментальные факты. Более того, строго используя точные выражения, я избегал применения математического языка. Алгебра — восхитительный язык, но есть много случаев, когда ее можно использовать только с большой осторожностью.

Нет ничего проще, чем указать на многие серьезные упущения в этом небольшом томе; но некоторые из них, во всяком случае, не являются непреднамеренными.

Некоторые вопросы, которые все еще слишком запутаны, были оставлены в стороне, как и несколько других, которые составляют важную коллекцию для специального изучения, возможно, в будущем. Так, что касается электрических явлений, отношения между электричеством и оптикой, а также теории ионизации, электронная гипотеза и т. д. были рассмотрены довольно подробно; но не было сочтено необходимым распространяться о способах производства и использования тока, о явлениях магнетизма или обо всех приложениях, которые относятся к области электротехники.

Л. ПУАНКАРЕ.

Contents

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА ОГЛАВЛЕНИЕ ГЛАВА I

ЭВОЛЮЦИЯ ФИЗИКИ

Революционные изменения в современной физике лишь кажущиеся: эволюция, а не революция — правило в физической теории — Возрождение метафизических спекуляций и влияние Декарта: все явления сводятся к материи и движению — Современные физики оспаривают это: физические явления, в отличие от механических, редко обратимы — Две школы: одна считает экспериментальные законы обязательными, другая лишь изучает отношения величин: обе учат чему-то истинному — Третья, или эклектическая, школа — Является ли механика разделом электрической науки?

ГЛАВА II

ИЗМЕРЕНИЯ

§ 1. Метрология: взгляд лорда Кельвина на ее необходимость — Ее определение § 2. Измерение длины: необходимость единицы — Абсолютная длина — История эталона — Описание эталонного метра — Единица длин волн предпочтительнее — Международный метр § 3. Измерение массы: различие между массой и весом — Возражения против законного килограмма и его точности — Возможное улучшение § 4. Измерение времени: единица времени — секунда — Предложенные альтернативные единицы — Улучшения в хронометрии и инвар § 5. Измерение температуры: фундаментальные и производные единицы — Обычная единица температуры чисто произвольна — Абсолютная единица массы водорода при давлении 1 м рт. ст. при 0° C — Расхождение термометрической и термодинамической шкал — Гелиевый термометр для низких, термоэлектрическая пара для высоких температур — Улучшения Луммера и Прингсхайма в термометрии § 6. Производные единицы и измерение энергии: важность эрга как единицы — Калориметр — обычное средство определения — Фотометрические единицы § 7. Измерение физических констант: постоянная тяготения — Открытия Кавендиша, Вернона Бойса, Этвеша, Рихарца и Кригар-Менцеля — Улучшения Майкельсона в экспериментах Физо и Фуко — Измерение скорости света.

ГЛАВА III

ПРИНЦИПЫ

§ 1. Принципы физики: принципы механики, затронутые недавними открытиями — Неразрушима ли масса? — Эксперименты Ландольта и Гейдвейлера — Закон Лавуазье лишь приблизительно верен — Принцип симметрии Кюри § 2. Принцип сохранения энергии: его эволюция: Бернулли, Лавуазье и Лаплас, Юнг, Румфорд, Дэви, Сади Карно и Роберт Майер — Недостатки Майера — Ошибка тех, кто хотел бы сделать механику частью энергетики — Предсказания Верде — Ранкин — изобретатель энергетики — Полезность работы как стандартной формы энергии — Физики, считающие материю формой энергии — Возражения против этого — Философская ценность доктрины сохранения § 3. Принцип Карно и Клаузиуса: оригинальность принципа Карно о том, что падение температуры необходимо для производства работы теплом — Постулат Клаузиуса о том, что тепло не может переходить от холодного тела к горячему без дополнительных явлений — Энтропия как результат этого — Определение энтропии — Энтропия стремится непрерывно возрастать — Величина, измеряющая эволюцию системы — Вывод Клаузиуса и Кельвина о том, что тепло — конец всей энергии во Вселенной — Возражение против этого — Принцип Карно не обязательно относится к механике — Броуновское движение — Возражение Липпмана против кинетической гипотезы § 4. Термодинамика: историческая работа Массье, Уилларда Гиббса, Гельмгольца и Дюэма — Уиллард Гиббс — основатель термодинамической статики, Вант-Гофф — ее возродитель — Закон фаз — Раво объясняет его без термодинамики § 5. Атомизм: связь предмета с предыдущим — Эссе Аннекена об атомной гипотезе — Молекулярная физика в немилости — Поверхностное натяжение и т. д. исчезают при достижении молекулы — Размер молекулы — Кинетическая теория газов — Уиллард Гиббс и Больцман вводят в нее закон вероятностей — Средняя длина свободного пробега газовых молекул — Применение к оптике — Окончательное деление материи.

ГЛАВА IV

РАЗЛИЧНЫЕ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИИ

§ 1. Статика жидкостей: исследования Эндрюса, Кальете и других о жидком и газообразном состояниях — Эксперименты Амага — Уравнение Ван-дер-Ваальса — Открытие соответствующих состояний — Суперпозиционные диаграммы Амага — Исключения из закона — Статика смешанных жидкостей — Исследования Камерлинг-Оннеса — Критические константы — Характеристическое уравнение жидкости еще не установлено § 2. Сжижение газов и низкие температуры: методы сжижения газов Линде, Сименса и Клода — Описание аппарата Клода — Эксперименты Дьюара — Изменение электрических свойств материи под воздействием экстремального холода: магнитных и химических — Жизнеспособность бактерий не изменилась — Открытие Рамзаем редких газов атмосферы — Их распределение в природе — Жидкий водород — Гелий § 3. Твердые тела и жидкости: непрерывность твердого и жидкого состояний — Вязкость, общая для обоих — Также жесткость — Аналогии Спринга между твердыми телами и жидкостями — Кристаллизация — Жидкие кристаллы Лемана — Сомнения в их существовании — Взгляд Таммана на разрыв между кристаллическим и жидким состояниями § 4. Деформация твердых тел: упругость — Исследования Гука, Баха и Буасса — Фойгт об упругости кристаллов — Упругие и остаточные деформации — Состояния неустойчивого равновесия Бриллюэна — Дюэм и термодинамические постулаты — Экспериментальное подтверждение — Исследования Гийома о никелевой стали — Сплавы.

ГЛАВА V

РАСТВОРЫ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ

§ 1. Раствор: исследования Кирхгофа, Гиббса, Дюэма и Вант-Гоффа § 2. Осмос: история явления — Траубе и биологи устанавливают существование полупроницаемых стенок — Эксперименты Виллара с газами — Пфеффер показывает, что осмотическое давление пропорционально концентрации — Разногласия относительно причины явления § 3. Осмос, примененный к раствору: открытия Вант-Гоффа — Аналогия между растворенным телом и идеальным газом — Ошибки в аналогии § 4. Электролитическая диссоциация: исследования Вант-Гоффа и Аррениуса — Ионная гипотеза — Сначала яростное сопротивление — Идеи Аррениуса теперь торжествуют — Преимущества гипотезы Аррениуса — «Ионы, которые реагируют» — Выводы Оствальда из этого — Теория электролиза Нернста — Электролиз газов делает электронную теорию вероятной — Два закона Фарадея — Валентность — Последствия из законов Фарадея по Гельмгольцу.

ГЛАВА VI

ЭФИР

§ 1. Светоносный эфир: первая идея об эфире принадлежит Декарту — Эфир должен быть невесомым — Френель показывает, что световые колебания поперечны — Поперечные колебания не могут существовать в жидкости — Эфир должен быть прерывистым § 2. Излучения: длины волн и их измерения — Исследования Рубенса и Ленарда — Стоячие волны и цветная фотография — Гипотеза Френеля, оспариваемая Нейманом — Эксперименты Винера и Коттона § 3. Электромагнитный эфир: защита Ампером математического выражения — Фарадей первым показывает влияние среды в электричестве — Доказательство Максвелла, что световые волны электромагнитны — Его непонятность — Требуется подтверждение теории Герцем § 4. Электрические колебания: эксперименты Герца — Блондло доказывает, что электромагнитное возмущение распространяется со скоростью света — Открытие эфирных волн, промежуточных между герцевыми и видимыми — Эксперименты Рубенса и Николса — Контраст между герцевыми и световыми лучами — Давление света § 5. Рентгеновские лучи: открытие Рентгена — Свойства рентгеновских лучей — Неоднородны — Эксперименты Резерфорда и Мак-Кланга об энергии, соответствующей им — Эксперименты Баркла о поляризации — Их скорость равна скорости света — Являются ли они просто ультрафиолетовыми? — Теория независимых пульсаций Стокса и Вихерта, как правило, предпочтительнее — Идея Дж. Дж. Томсона об их формировании — Теории Сазерленда и Ле Бона — N-лучи — Открытие Блондло — Эксперименты не могут быть повторены за пределами Франции — Подтверждение Гюттона и Маскара — Отрицательные эксперименты ничего не доказывают — Предполагаемая длина волны N-лучей § 6. Эфир и тяготение: идеи Декарта и Ньютона о тяготении — Его скорость и другие необычные характеристики — Гипотеза Лесажа — Эксперименты Кремье с каплями жидкостей — Гипотеза эфира недостаточна.

ГЛАВА VII

БЕСПРОВОДНАЯ ТЕЛЕГРАФИЯ

§ 1. Истории беспроводной телеграфии уже написаны, и трудности предмета § 2. Две системы: та, которая использует материальные среды (землю, воздух или воду), и та, которая использует только эфир § 3. Использование земли в качестве обратного провода Штейнгейлем — Эксперименты Морзе с водой канала — Сена использовалась как обратный провод во время осады Парижа — Индийские эксперименты Джонсона и Мелхуиша — Телеграф Приса через Бристольский канал — Он приветствует Маркони § 4. Ранние попытки передачи сообщений через эфир — Эксперименты Ратенау и других § 5. Предшественники эфирной телеграфии: Клерк Максвелл и Герц — Долбир, Хьюз и Грэм Белл § 6. Телеграфия с помощью герцевых волн впервые предложена Трелфоллом — Вклад Крукса, Теслы, Лоджа, Резерфорда и Попова — Маркони первым делает ее практически применимой § 7. Приемник в беспроводной телеграфии — Исследования Варли, Кальзекки-Онести и Бранли — Объяснение когерера все еще неясно § 8. Беспроводная телеграфия вступает в коммерческую стадию — Недостаток системы Маркони — Системы Брауна, Армстронга, Ли де Фореста и Фессендена используют землю — Герц и Маркони имеют право на первое место среди первооткрывателей.

ГЛАВА VIII

ПРОВОДИМОСТЬ ГАЗОВ И ИОНЫ

§ 1. Проводимость газов: отношения материи к эфиру — главная проблема — Проводимость газов сначала была понята неверно — Забытые исследования Эрмана — Гизе первым замечает явление — Эксперимент с рентгеновскими лучами — Интерпретация Дж. Дж. Томсона — Ионизированный газ не подчиняется закону Ома — Разряд заряженных проводников ионизированным газом § 2. Конденсация водяного пара ионами: пар не будет конденсироваться без ядра — Эксперименты Вильсона по электрической конденсации — Эксперимент Вильсона и Томсона по подсчету — Двадцать миллионов ионов на кубический сантиметр газа — Оценка заряда, переносимого ионом — Скорость зарядов — Эксперименты Зелени и Ланжевена — Отрицательные ионы в 1/1000 размера атомов — Естественная единица электричества или электроны § 3. Как образуются ионы: различные причины ионизации — Эксперименты Моро со щелочными солями — Барус и Блох об ионизации парами фосфора — Ионизация всегда результат удара § 4. Электроны в металлах: движение электронов в металлах предсказано Вебером — Исследования Гизе, Рике, Друде и Дж. Дж. Томсона — Путь ионов в металлах и теплопроводность — Теория Лоренца — Объяснение Гесехусом электризации при контакте — Эмиссия электронов заряженным телом — Измерение положительных ионов Томсоном.

ГЛАВА IX

КАТОДНЫЕ ЛУЧИ И РАДИОАКТИВНЫЕ ТЕЛА

§ 1. Катодные лучи: история открытия — Теория Крукса — Лучи Ленарда — Доказательство отрицательного заряда Перреном — Катодные лучи порождают рентгеновские лучи — Каналовые лучи — Исследования Виллара и магнито-катодные лучи — Ионопластика — Измерения скорости лучей Томсоном — Все атомы могут быть диссоциированы § 2. Радиоактивные вещества: урановые лучи Ньепса де Сен-Виктора и Беккереля — Общая радиоактивность материи — Сравнение Ле Боном и Резерфордом урановых лучей с рентгеновскими — Открытие Пьером и г-жой Кюри полония и радия — Их характеристики — Дебьерн открывает актиний § 3. Излучения и эманации радиоактивных тел: исследования Гизеля, Беккереля и Резерфорда — Альфа-, бета- и гамма-лучи — Вторичные лучи Саньяка — Спинтерископ Крукса — Эманация — Исследования Рамзая и Содди о ней — Превращения радиоактивных тел — Их порядок § 4. Дезагрегация материи и атомная энергия: фактические превращения материи в радиоактивных телах — Гелий или свинец — конечный продукт — Окончательное исчезновение радия с Земли — Энергия, высвобождаемая радием: ее количество и источник — Предложенные модели радиоактивных атомов — Обобщение радиоактивных явлений — Теории Ле Бона — Баллистическая гипотеза, как правило, признается — Приходит ли энергия извне? — Эксперименты Саньяка — Противоположное мнение Эльстера и Гейтеля.

ГЛАВА X

ЭФИР И МАТЕРИЯ

§ 1. Отношения между эфиром и материей: попытки свести всю материю к формам эфира — Явления испускания и поглощения показывают взаимное действие — Законы излучения — Излучение газов — Создание спектра — Различия между световыми и звуковыми вариациями показывают различие сред — Исследования Коши, Брио, Карвалло и Буссинеска — Электромагнитные теории дисперсии Гельмгольца и Пуанкаре § 2. Теория Лоренца: механика не может объяснить отношения между эфиром и материей — Лоренц предсказывает действие магнита на спектр — Эксперимент Зеемана — Более поздние исследования эффекта Зеемана — Множественность электронов — Объяснение Лоренцем термоэлектрических явлений с помощью электронов — Теории Максвелла и Лоренца не согласуются — Теория Лоренца, вероятно, более правильна — Движение Земли по отношению к эфиру § 3. Масса электронов: взгляд Томсона и Макса Абрахама на то, что инерция заряженного тела обусловлена зарядом — Продольная и поперечная масса — Скорость электронов не может превышать скорость света — Отношение заряда к массе и его изменение — Электрон — простой электрический заряд — Явления, вызванные его ускорением § 4. Новые взгляды на эфир и материю: недостаточность взгляда Лармора — Эфир, определяемый электрическими и магнитными полями — Является ли материя только электронами? Атом, вероятно, положительный центр, окруженный отрицательными электронами — Невежество относительно положительных частиц — Вероятны последовательные превращения материи — Тяготение все еще не объяснено.

ГЛАВА XI

БУДУЩЕЕ ФИЗИКИ

Стойкость стремления открыть высший принцип в физике — Верховенство электронной теории в настоящее время — Несомненно, суждено исчезнуть, как и другим — Предсказан постоянный прогресс науки — Перед ней открыто огромное поле.

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Новая физика и ее эволюция

ГЛАВА I

ЭВОЛЮЦИЯ ФИЗИКИ

Теперь многочисленная публика, которая с некоторым успехом пытается идти в ногу с движением в науке, видя, как ее умственные привычки каждый день нарушаются, и время от времени становясь свидетелем неожиданных открытий, которые производят более живое впечатление из-за их реакции на социальную жизнь, склонна полагать, что мы живем в действительно исключительную эпоху, отмеченную глубокими кризисами и проиллюстрированную необычайными открытиями, чья уникальность превосходит все известное в прошлом. Таким образом, мы часто слышим, что физика, в частности, в последние годы претерпела настоящую революцию; что все ее принципы были обновлены, что все здания, построенные нашими отцами, были разрушены, и что на поле, таким образом расчищенном, взошел самый обильный урожай, который когда-либо обогащал область науки.

Это действительно правда, что урожай становится богаче и плодотворнее благодаря развитию наших лабораторий, и что количество искателей значительно увеличилось во всех странах, в то время как их качество не уменьшилось. Мы бы отстаивали абсолютный парадокс и в то же время совершали вопиющую несправедливость, если бы стали оспаривать высокую важность недавнего прогресса и пытаться умалить славу современных физиков. И все же, возможно, не стоит поддаваться преувеличениям, какими бы простительными они ни были, и остерегаться легких иллюзий. При ближайшем рассмотрении можно увидеть, что наши предшественники могли в несколько периодов истории столь же законно, как и мы, испытывать подобные чувства научной гордости и чувствовать, что мир вот-вот предстанет перед ними преобразованным и в аспекте, до тех пор совершенно неизвестном.

Возьмем пример, который достаточно ярок; ибо, как бы произвольно ни выглядело условное деление времени в глазах физика, естественно, при сравнении двух эпох, выбирать те, которые охватывают пространство в десяток лет и отделены друг от друга промежутком в столетие. Давайте, таким образом, вернемся на сто лет назад и рассмотрим, каково было бы состояние ума эрудированного любителя, который прочитал и понял основные публикации по физическим исследованиям между 1800 и 1810 годами.

Предположим, что этот умный и внимательный зритель стал свидетелем открытия Вольтой гальванической батареи в 1800 году. Он мог с того момента почувствовать предчувствие, что в нашем способе рассмотрения электрических явлений вот-вот произойдет поразительная трансформация. Воспитанный на идеях Кулона и Франклина, он мог до тех пор воображать, что электричество раскрыло почти все свои тайны, когда совершенно оригинальный аппарат внезапно породил приложения высочайшего интереса и вызвал расцвет теорий огромного философского масштаба.

В трактатах по физике, опубликованных немного позже, мы находим следы изумления, вызванного этим внезапным откровением нового мира. «Электричество, — писал аббат Аюи, — обогащенное трудами столь многих выдающихся физиков, казалось, достигло того предела, когда наука не имеет перед собой дальнейших важных шагов и оставляет тем, кто ее культивирует, лишь надежду на подтверждение открытий своих предшественников и на пролитие более яркого света на открытые истины. Можно было бы подумать, что все исследования по диверсификации результатов эксперимента исчерпаны и что сама теория может быть дополнена лишь добавлением большей степени точности к приложениям уже известных принципов. В то время как наука, казалось, стремилась к покою, явления конвульсивных движений, наблюдаемые Гальвани в мышцах лягушки при соединении металлом, были доведены до внимания и изумления физиков... Вольта, в той Италии, которая была колыбелью нового знания, открыл принцип его истинной теории в факте, который сводит объяснение всех рассматриваемых явлений к простому контакту двух веществ различной природы. Этот факт стал в его руках зародышем того восхитительного аппарата, которому его способ бытия и его плодовитость отводят одно из главных мест среди тех, которыми гений человечества обогатил физику».

Вскоре после этого наш любитель узнал бы, что Карлайл и Николсон разложили воду с помощью батареи; затем, что Дэви в 1803 году произвел с помощью той же батареи совершенно неожиданное явление и преуспел в получении металлов, наделенных чудесными свойствами, начиная с веществ землистого вида, которые были известны давно, но чья истинная природа не была открыта.

В другом порядке идей нашего любителя ждали бы сюрпризы, столь же поразительные. Начиная с 1802 года, он мог бы прочитать восхитительную серию мемуаров, которые Юнг опубликовал тогда, и мог бы тем самым узнать, как изучение явлений дифракции привело к убеждению, что волновая теория, которая со времен работ Ньютона казалась безвозвратно осужденной, напротив, начинала совершенно новую жизнь. Чуть позже — в 1808 году — он мог бы стать свидетелем открытия Малюсом поляризации путем отражения и смог бы отметить, несомненно, со ступором, что при определенных условиях луч света теряет свойство отражаться.

Он мог бы также услышать о неком Румфорде, который тогда провозглашал весьма своеобразные идеи о природе тепла, который думал, что тогдашние классические представления могут быть ложными, что теплород не существует как жидкость, и который в 1804 году даже продемонстрировал, что тепло создается трением. Несколько лет спустя он узнал бы, что Шарль сформулировал капитальный закон о расширении газов; что Пьер Прево в 1809 году проводил исследование, полное оригинальных идей, о лучистом тепле. Тем временем он не преминул бы прочитать тома III и IV «Небесной механики» Лапласа, опубликованные в 1804 и 1805 годах, и он мог бы, несомненно, подумать, что в скором времени математика позволит физической науке развиваться с непредвиденной безопасностью.

Все эти результаты, несомненно, могут быть сопоставимы по важности с нынешними открытиями. Когда странные металлы, такие как калий и натрий, были изолированы совершенно новым методом, изумление должно было быть наравне с тем, которое вызвано в наше время великолепным открытием радия. Поляризация света — явление, несомненно, столь же уникальное, как существование рентгеновских лучей; и переворот, произведенный в натурфилософии теориями распада материи и идеями об электронах, вероятно, не более значителен, чем тот, который был произведен в теориях света и тепла работами Юнга и Румфорда.

Если мы теперь освободимся от случайностей, станет понятно, что в действительности физическая наука прогрессирует скорее путем эволюции, чем путем революции. Ее марш непрерывен. Факты, которые наши теории позволяют нам открыть, существуют и связаны друг с другом долгое время после того, как эти теории исчезли. Из материалов прежних разрушенных зданий постоянно реконструируются новые жилища.

Труд наших предшественников никогда не погибает полностью. Идеи вчерашнего дня готовят почву для идей завтрашнего дня; они содержат их, так сказать, в возможности. Наука — это в некотором роде живой организм, который дает жизнь неопределенной серии новых существ, занимающих места старых, и который эволюционирует в соответствии с природой своей среды, адаптируясь к внешним условиям и исцеляя на каждом шагу раны, которые мог нанести контакт с реальностью.

Иногда эта эволюция быстра, иногда достаточно медленна; но она подчиняется обычным законам. Потребности, навязанные окружающей средой, создают определенные органы в науке. Проблемы, поставленные перед физиками инженером, который хочет облегчить транспорт или обеспечить лучшее освещение, или врачом, который стремится узнать, как действует то или иное лекарство, или, опять же, физиологом, желающим понять механизм газового и жидкого обмена между клеткой и внешней средой, заставляют появляться новые главы в физике и предлагают исследования, адаптированные к потребностям реальной жизни.

Эволюция различных частей физики, однако, не происходит с одинаковой скоростью, потому что обстоятельства, в которых они находятся, не одинаково благоприятны. Иногда целая серия вопросов кажется забытой и живет лишь вялым существованием; а затем какое-то случайное обстоятельство внезапно приносит им новую жизнь, и они становятся объектом многообразных трудов, захватывают внимание общественности и вторгаются почти во всю область науки.

Мы в наши дни были свидетелями такого зрелища. Открытие рентгеновских лучей — открытие, которое физики, несомненно, считают логическим результатом исследований, долгое время проводимых несколькими учеными, работающими в тишине и безвестности над в остальном весьма запущенным предметом, — в глазах общественности, казалось, открыло новую эру в истории физики. Если, как это имеет место, однако, необычайное научное движение, вызванное сенсационными экспериментами Рентгена, имеет очень отдаленное происхождение, оно, по крайней мере, было необычайно ускорено благоприятными условиями, созданными интересом, проявленным к его поразительным приложениям в радиографии.

Счастливый случай таким образом ускорил эволюцию, которая уже происходила, и ранее намеченные теории получили необычайное развитие. Не желая слишком поддаваться тому, что можно считать прихотью моды, мы не можем, если мы хотим отметить в этой книге стадию, фактически достигнутую в непрерывном марше физики, воздержаться от того, чтобы отдать явно преобладающее место вопросам, предложенным изучением новых излучений. В настоящее время именно эти вопросы волнуют нас больше всего; они показали нам неизвестные горизонты, и к полям, недавно открытым для научной деятельности, ежедневно увеличивающаяся толпа искателей устремляется довольно беспорядочным образом.

Одним из самых интересных последствий недавних открытий стала реабилитация в глазах ученых спекуляций, относящихся к строению материи, и, в более общем плане, метафизических проблем. Философия, конечно, никогда не была полностью отделена от науки; но в прошлом многие физики дистанцировались от исследований, которые они рассматривали как нереальные словесные споры, и иногда не без оснований воздерживались от участия в дискуссиях, которые казались им праздными и довольно пустяковыми по своей тонкости. Они видели крах большинства систем, построенных априори дерзкими философами, и сочли более благоразумным прислушаться к совету, данному Кирхгофом, и «заменить описание фактов ложным объяснением природы».

Следует, однако, заметить, что эти физики несколько обманывали себя относительно ценности своей осторожности и что недоверие, которое они проявляли к философским спекуляциям, не мешало им признавать, сами того не зная, определенные аксиомы, которые они не обсуждали, но которые являются, собственно говоря, метафизическими концепциями. Они бессознательно говорили на языке, которому их научили предшественники, и не пытались обнаружить его происхождение. Именно так легко считалось очевидным, что физика должна обязательно когда-нибудь вернуться в область механики, и отсюда постулировалось, что все в природе обусловлено движением. Мы, далее, приняли принципы классической механики, не обсуждая их легитимность.

Это состояние ума было, даже в последние годы, состоянием самых выдающихся физиков. Оно проявляется, совершенно искренне и без малейших оговорок, во всех классических работах, посвященных физике. Так, Верде, выдающийся профессор, который оказал огромное и самое счастливое влияние на интеллектуальное формирование целого поколения ученых и чьи работы даже в настоящее время очень часто консультируются, писал: «Истинная проблема физика всегда состоит в том, чтобы свести все явления к тому, что кажется нам самым простым и ясным, то есть к движению». В своем знаменитом курсе лекций в Политехнической школе Жамен также говорил: «Физика однажды составит главу общей механики»; и в предисловии к своему отличному курсу лекций по физике М. Виоль в 1884 году так выражается: «Наука о природе стремится к механике путем необходимой эволюции, поскольку физик может установить твердые теории только на законах движения». Та же идея снова встречается в словах Корню в 1896 году: «Общая тенденция должна состоять в том, чтобы показать, как наблюдаемые факты и измеренные явления, хотя сначала объединенные эмпирическими законами, в конечном итоге, под импульсом последовательных прогрессий, подпадают под общие законы рациональной механики»; и тот же физик ясно показал, что в его уме эта связь явлений с механикой имела глубокую и философскую причину, когда в прекрасной речи, произнесенной им на церемонии открытия Физического конгресса в 1900 году, он воскликнул: «Ум Декарта парит над современной физикой, или, скорее, я должен сказать, он является их светилом. Чем дальше мы проникаем в знание природных явлений, тем яснее и развитее становится смелая картезианская концепция относительно механизма вселенной. В физическом мире нет ничего, кроме материи и движения».

Если мы примем эту концепцию, мы будем вынуждены строить механические представления материального мира и воображать движения в различных частях тел, способные воспроизвести все проявления природы. Кинематического знания этих движений, то есть определения положения, скорости и ускорения в данный момент всех частей системы, или, с другой стороны, их динамического изучения, позволяющего нам узнать, каково действие этих частей друг на друга, было бы тогда достаточно, чтобы позволить нам предсказать все, что может произойти в области природы.

Это была великая мысль, ясно выраженная энциклопедистами восемнадцатого века; и если необходимость интерпретации явлений электричества или света заставила физиков прошлого века вообразить особые жидкости, которые, казалось, с некоторым трудом подчинялись обычным правилам механики, эти физики все же продолжали сохранять свою надежду на будущее и рассматривать идею Декарта как идеал, который должен быть достигнут рано или поздно.

Некоторые ученые — особенно представители английской школы — опережая эксперимент и доводя вещи до крайностей, с удовольствием предлагали очень любопытные механические модели, которые часто были странными образами реальности. Самый выдающийся из них, лорд Кельвин, может считаться их представителем, и он сам сказал: «Мне кажется, что истинный смысл вопроса: понимаем ли мы или не понимаем конкретный предмет в физике? — заключается в следующем: можем ли мы создать механическую модель, которая соответствует ему? Я никогда не удовлетворен, пока не смог создать механическую модель объекта. Если я могу это сделать, я понимаю его. Если я не могу создать такую модель, я не понимаю его». Но следует признать, что некоторые из моделей, таким образом разработанных, стали чрезмерно сложными, и эта сложность долгое время обескураживала всех, кроме очень смелых умов. Кроме того, когда дело доходило до проникновения в механизм молекул, и мы уже не удовлетворялись тем, чтобы смотреть на материю как на массу, механические решения казались неопределенными, а устойчивость зданий, таким образом построенных, была недостаточно продемонстрирована.

Возвращаясь затем к нашей отправной точке, многие современные физики хотят подвергнуть идею Декарта строгой критике. С философской точки зрения они сначала спрашивают, действительно ли доказано, что в познаваемом не существует ничего, кроме материи и движения. Они спрашивают себя, не привычка ли и традиция в частности заставляют нас приписывать механике происхождение явлений. Возможно, здесь также возникает вопрос чувства. Наши чувства, которые, в конце концов, являются единственными окнами, открытыми к внешней реальности, дают нам вид только на одну сторону мира; очевидно, мы знаем вселенную только по отношениям, которые существуют между ней и нашими организмами, а эти организмы особенно чувствительны к движению.

Ничто, однако, не доказывает, что те приобретения, которые являются самыми древними в историческом порядке, должны в развитии науки оставаться основой нашего знания. Также никакая теория не доказывает, что наши восприятия являются точным указанием реальности. Многие причины, напротив, могут быть вызваны, которые стремятся заставить нас видеть в природе явления, которые не могут быть сведены к движению.

Механика, как ее обычно понимают, — это изучение обратимых явлений. Если дать параметру, который представляет время [1] и который принимал возрастающие значения в течение длительности явлений, убывающие значения, которые заставляют его идти в противоположную сторону, вся система снова пройдет через точно те же стадии, что и раньше, и все явления развернутся в обратном порядке. В физике обратное правило кажется очень общим, и обратимость, как правило, не существует. Это идеальный и ограниченный случай, к которому иногда можно приблизиться, но который никогда, строго говоря, не может быть встречен в своей полноте. Никакое физическое явление никогда не возобновляется идентичным образом, если его направление изменено. Это правда, что некоторые математики предупреждают нас, что можно разработать механику, в которой обратимость больше не будет правилом, но смелые попытки, сделанные в этом направлении, не вполне удовлетворительны.

С другой стороны, установлено, что если может быть дано механическое объяснение явления, мы можем найти бесконечность других, которые также объясняют все особенности, выявленные экспериментом. Но, по правде говоря, никто никогда не преуспел в создании бесспорного механического представления всего физического мира. Даже если бы мы были склонны допустить самые странные решения проблемы; согласиться, например, удовлетвориться скрытыми системами, разработанными Гельмгольцем, согласно которым мы должны разделить переменные вещи на два класса, некоторые доступные, а другие — теперь и навсегда неизвестные, мы никогда не смогли бы построить здание, чтобы вместить все известные факты. Даже очень всеобъемлющая механика Герца терпит неудачу там, где классическая механика не преуспела.

Считая этот провал неисправимым, многие современные физики отказываются от попыток, которые они рассматривают как осужденные заранее, и принимают, чтобы направлять их в исследованиях, метод, который на первый взгляд кажется гораздо более скромным, а также гораздо более верным. Они решают не видеть сразу до самого дна вещей; они больше не стремятся внезапно сорвать последние покровы с природы и угадать ее высшие тайны; но они работают благоразумно и продвигаются лишь медленно, в то время как на завоеванной таким образом почве шаг за шагом они стремятся утвердиться прочно. Они изучают различные величины, непосредственно доступные их наблюдению, не заботясь об их сущности. Они измеряют количества тепла и температуры, разности потенциалов, токи и магнитные поля; а затем, варьируя условия, применяют правила экспериментального метода и обнаруживают между этими величинами взаимные отношения, в то время как они таким образом преуспевают в формулировании законов, которые переводят и суммируют их труды.

Эти эмпирические законы, однако, сами по себе вызывают путем индукции провозглашение более общих законов, которые называются принципами. Эти принципы изначально являются лишь результатами экспериментов, и эксперимент позволяет их, кроме того, проверить, а их более или менее высокую степень общности — верифицировать. Когда они были таким образом определенно установлены, они могут служить свежими отправными точками и путем дедукции приводить к самым разнообразным открытиям.

Принципы, которые управляют физической наукой, немногочисленны, и их очень общая форма придает им философский вид, в то время как мы не можем долго сопротивляться искушению рассматривать их как метафизические догмы. Таким образом случается, что наименее смелые физики, те, кто хотел показать себя наиболее сдержанными, сами ведомы к тому, чтобы забыть экспериментальный характер законов, которые они предложили, и видеть в них властных существ, чья власть, поставленная выше всякой проверки, больше не может быть обсуждена.

Другие, напротив, доводят благоразумие до степени робости. Они желают серьезно ограничить область научного исследования и отводят науке слишком ограниченный домен. Они довольствуются представлением явлений уравнениями и думают, что должны подчинить расчету величины, экспериментально определенные, не спрашивая себя, сохраняют ли эти расчеты физический смысл. Они таким образом ведомы к тому, чтобы реконструировать физику, в которой снова появляется идея качества, понятая, конечно, не в схоластическом смысле, поскольку из этого качества мы можем аргументировать с некоторой точностью, представляя его под числовыми символами, но все же составляющую элемент дифференциации и гетерогенности.

Несмотря на ошибки, к которым они могут привести, если их довести до крайности, обе эти доктрины оказывают в целом самую важную услугу. Нет ничего плохого в том, что эти противоречивые тенденции существуют, ибо это разнообразие в концепции явлений придает актуальной науке характер интенсивной жизни и подлинной молодости, способной на страстные усилия к истине. Зрители, которые видят, как такие движущиеся и разнообразные картины проходят перед ними, испытывают чувство, что больше не существуют системы, застывшие в неподвижности, которая кажется смертью. Они чувствуют, что ничто не является неизменным; что непрерывные трансформации происходят перед их глазами; и что эта непрерывная эволюция и вечное изменение являются необходимыми условиями прогресса.

Большое количество искателей, более того, показывают себя на свой собственный счет совершенно эклектичными. Они принимают, в соответствии со своими потребностями, ту или иную манеру смотреть на природу и не колеблются использовать очень разные образы, когда они кажутся им полезными и удобными. И, без сомнения, они не ошибаются, поскольку эти образы являются лишь символами, удобными для языка. Они позволяют фактам быть сгруппированными и ассоциированными, но представляют лишь довольно отдаленное сходство с объективной реальностью. Следовательно, не запрещено умножать и модифицировать их в соответствии с обстоятельствами. Действительно существенная вещь — иметь в качестве гида через неизвестное карту, которая, конечно, не претендует на то, чтобы представлять все аспекты природы, но которая, будучи составленной в соответствии с заранее определенными правилами, позволяет нам следовать по установленной дороге в вечном путешествии к истине.

Среди временных теорий, которые таким образом охотно конструируются учеными в их путешествии, как здания, поспешно возведенные, чтобы принять непредвиденный урожай, некоторые все еще кажутся очень смелыми и очень уникальными. Отказываясь от поиска механических моделей для всех электрических явлений, некоторые физики меняют, так сказать, условия проблемы и спрашивают себя, не могут ли они, вместо того чтобы давать механическую интерпретацию электричеству, напротив, дать электрическую интерпретацию явлениям материи и движения и таким образом слить саму механику в электричестве. Один таким образом видит зарождающуюся заново вечную надежду координировать все природные явления в одном грандиозном и внушительном синтезе. Какова бы ни была судьба, уготованная таким попыткам, они заслуживают внимания в высшей степени; и желательно изучить их внимательно, если мы хотим иметь точное представление о тенденциях современной физики.

ГЛАВА II

ИЗМЕРЕНИЯ

§ 1. МЕТРОЛОГИЯ

Не так давно ученый часто довольствовался качественными наблюдениями. Многие явления изучались без особых усилий получить фактические измерения. Но сейчас становится все более понятным, что для установления отношений, которые существуют между физическими величинами, и для представления вариаций этих величин функциями, которые позволяют нам использовать силу математического анализа, крайне необходимо выразить каждую величину определенным числом.

Только при этих условиях величина может считаться эффективно известной. «Я часто говорю, — сказал лорд Кельвин, — что если вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это числом, вы знаете что-то о своем предмете; но если вы не можете измерить его и не можете выразить его числом, ваше знание — жалкого рода и едва ли удовлетворительно. Это может быть началом знакомства, но вы едва ли в своих мыслях продвинулись к науке, каким бы ни был предмет».

Теперь стало возможным точно измерить элементы, которые входят почти во все физические явления, и эти измерения проводятся со все возрастающей точностью. Каждый раз, когда глава в науке прогрессирует, наука показывает себя более требовательной; она совершенствует свои средства исследования, она требует все большей точности, и одной из самых поразительных черт современной физики является эта постоянная забота о строгости и ясности в экспериментировании.

Таким образом, была создана подлинная наука об измерениях, охватывающая все области физики. Эта наука имеет свои правила и методы; она указывает на лучшие способы вычислений, а также учит методам правильной оценки погрешностей и их учета. Она усовершенствовала процессы эксперимента, систематизировала большое количество результатов и сделала возможной унификацию эталонов. Именно благодаря ей была сформирована система измерений, единогласно принятая физиками.

В настоящее время мы называем метрологией ту часть науки об измерениях, которая специально посвящена определению прототипов, представляющих фундаментальные единицы измерения и массы, а также производных от них эталонов первого разряда. Если бы все измеряемые величины, как долгое время считалось возможным, можно было свести к механическим величинам, то метрология занималась бы существенными элементами, входящими во все явления, и могла бы по праву претендовать на высшее место в науке. Но даже если предположить, что некоторые величины никогда не могут быть связаны с массой, длиной и временем, она все равно занимает главенствующее положение, и ее прогресс находит отклик во всей области естественных наук. Поэтому, чтобы дать отчет об общем прогрессе физики, полезно в самом начале рассмотреть улучшения, которые были достигнуты в этих фундаментальных измерениях, и увидеть, какую точность позволили нам достичь эти улучшения.

§ 2. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ

Измерить длину — значит сравнить ее с другой длиной, принятой за единицу. Таким образом, измерение является относительной операцией и может позволить нам узнать только отношения. Если бы и измеряемая длина, и выбранная единица изменялись одновременно и в одинаковой степени, мы бы не заметили никаких изменений. Более того, поскольку единица по определению является мерой сравнения и сама по себе несравнима ни с чем, у нас теоретически нет средств установить, изменяется ли ее длина.

Если бы, однако, мы заметили, что внезапно и в тех же пропорциях увеличилось расстояние между двумя точками на Земле, что все планеты удалились друг от друга, что все предметы вокруг нас стали больше, что мы сами стали выше, и что расстояние, проходимое светом за время одной вибрации, стало больше, мы бы не колеблясь подумали, что стали жертвами иллюзии, что в действительности все эти расстояния остались неизменными, а все эти явления обусловлены укорочением линейки, которую мы использовали в качестве эталона для измерения длин.

С математической точки зрения можно считать, что обе гипотезы равноценны: либо все вокруг нас удлинилось, либо наш эталон стал меньше. Но не простой вопрос удобства и простоты заставляет нас отвергнуть одно предположение и принять другое; в данном случае правильно прислушаться к голосу здравого смысла, и те физики, которые инстинктивно доверяют понятию абсолютной длины, возможно, не ошибаются. Только выбирая нашу единицу из тех, которые во все времена казались всем людям наиболее неизменными, мы способны в наших экспериментах заметить, что одни и те же причины, действующие в идентичных условиях, всегда производят одни и те же следствия. Идея абсолютной длины выводится из принципа причинности; и наш выбор продиктован необходимостью следовать этому принципу, который мы не можем отвергнуть, не объявив тем самым всю науку невозможной.

Подобные замечания можно сделать в отношении понятий абсолютного времени и абсолютного движения. Они были выявлены и очень убедительно изложены ученым и глубоким математиком г-ном Пенлеве.

На особенно ясном примере измерения длины интересно проследить эволюцию применяемых методов и проследить историю прогресса в точности с того времени, как мы располагаем достоверными документами, относящимися к этому вопросу. Эта история была мастерски написана одним из физиков, которые в наши дни сделали больше всего своими личными трудами, чтобы добавить к ней славные страницы. Г-н Бенуа, ученый директор Международного бюро мер и весов, предоставил в различных отчетах очень полные сведения по этому предмету, из которых я здесь заимствую наиболее интересные.

Мы знаем, что во Франции фундаментальным эталоном мер длины долгое время была «Toise du Châtelet» (Шателеская туаза) — своего рода калибр, образованный железным стержнем, который в 1668 году был заделан во внешнюю стену здания Шатле, у подножия лестницы. Этот стержень имел на своих концах два выступа с квадратными гранями, и все торговые туазы должны были точно помещаться между ними. Такой эталон, грубо изготовленный и подверженный всем превратностям погоды и времени, давал очень слабые гарантии как в отношении постоянства, так и в отношении правильности своих копий. Ничто, пожалуй, не может лучше передать представление о важности модификаций, внесенных в методы экспериментальной физики, чем простое сравнение столь рудиментарного процесса с фактическими измерениями, выполняемыми в настоящее время.

Шателеская туаза, несмотря на свои очевидные недостатки, использовалась почти сто лет; в 1766 году она была заменена «Toise du Pérou» (Перуанской туазой), названной так потому, что она служила для измерения земной дуги, выполненного в Перу с 1735 по 1739 год Бугером, Ла Кондамином и Годеном. В то время, согласно сравнениям, проведенным между этой новой туазой и «Toise du Nord» (Северной туазой), которая также использовалась для измерения дуги меридиана, ошибка в одну десятую миллиметра при измерении длин порядка метра считалась совершенно несущественной. В конце XVIII века Деламбр в своей работе «Sur la Base du Système métrique décimal» ясно дает понять, что величины порядка сотой доли миллиметра кажутся ему не поддающимися наблюдению даже в научных исследованиях высочайшей точности. В настоящее время Международное бюро мер и весов гарантирует при определении эталона длины по сравнению с метром точность до двух или трех десятитысячных долей миллиметра, а при определенных обстоятельствах — и немного больше.

Этот весьма примечательный прогресс обусловлен улучшениями в методе сравнения, с одной стороны, и в изготовлении эталона — с другой. Г-н Бенуа справедливо отмечает, что возникло своего рода соревнование между эталоном, предназначенным для представления единицы с ее подразделениями и кратными, и инструментом, предназначенным для наблюдения за ним, сравнимое до некоторой степени с тем, что в другом порядке идей происходит между пушкой и броней.

Измерительный инструмент сегодняшнего дня — это инструмент сравнения, сконструированный с тщательной заботой, который позволяет нам устранить причины ошибок, ранее игнорировавшиеся, исключить действие внешних явлений и изъять эксперимент из-под влияния даже личности наблюдателя. Этот эталон больше не является, как прежде, плоской линейкой, слабой и хрупкой, а жестким стержнем, неспособным к деформации, в котором материал используется в наилучших условиях сопротивления. Вместо концевого эталона был введен штриховой эталон, который допускает гораздо более точное определение и может использоваться исключительно в оптических процессах наблюдения; то есть в процессах, которые не могут вызвать в нем ни деформации, ни изменения. Более того, штрихи нанесены на плоскости нейтральных волокон, и неизменность расстояния между ними таким образом обеспечена даже при изменении способа опоры линейки.

Благодаря таким систематически проводимым исследованиям нам удалось в течение ста лет увеличить точность измерений в пропорции тысяча к одному, и мы можем задаться вопросом, продолжится ли такой рост в будущем. Несомненно, прогресс не остановится; но если мы будем придерживаться определения длины через материальный эталон, то кажется, что его точность не может быть значительно увеличена. Мы почти достигли предела, налагаемого необходимостью делать штрихи такой толщины, чтобы их можно было наблюдать под микроскопом.

Может случиться, однако, что однажды мы придем к новой концепции измерения длины и что будут придуманы совсем другие процессы определения. Если бы мы взяли за единицу, например, расстояние, проходимое данным излучением за время одной вибрации, оптические процессы сразу бы позволили достичь гораздо большей точности.

Так, Физо, первым высказавший эту идею, говорит: «Луч света с его серией волнообразных колебаний чрезвычайной тонкости, но идеальной регулярности, может рассматриваться как микрометр величайшего совершенства, особенно подходящий для определения длины». Но в нынешнем положении вещей, поскольку законное и общепринятое определение единицы остается материальным эталоном, недостаточно измерять длину в терминах длин волн, и мы должны также знать значение этих длин волн в терминах эталонного прототипа метра.

Это было определено в 1894 году г-ном Майкельсоном и г-ном Бенуа в эксперименте, который останется классическим. Два физика измерили эталонную длину около десяти сантиметров сначала в терминах длин волн красного, зеленого и синего излучений кадмия, а затем в терминах эталонного метра. Большая трудность эксперимента проистекает из огромной разницы, существующей между сравниваемыми длинами, так как длины волн едва достигают половины микрона; использованный процесс состоял в том, чтобы отметить вместо этой длины длину, легко делаемую примерно в тысячу раз большей, а именно расстояние между интерференционными полосами.

В любом измерении, то есть в каждом определении отношения величины к единице, должно быть определено, с одной стороны, целое, а с другой — дробная часть этого отношения, и, естественно, наиболее тонким определением обычно является определение этой дробной части. В оптических процессах трудность обратная. Дробная часть легко узнаваема, в то время как высокая цифра числа, представляющего целое, становится очень серьезным препятствием. Именно это препятствие г-да Майкельсон и Бенуа преодолели с удивительной изобретательностью. Используя несколько похожую идею, г-н Масе де Лепине и г-да Перо и Фабри недавно осуществили с помощью оптических методов измерения величайшей точности, и, несомненно, дальнейший прогресс еще может быть достигнут. Возможно, когда-нибудь наступит день, когда от материального эталона откажутся, и, возможно, даже будет признано, что такой эталон со временем меняет свою длину из-за молекулярного напряжения и износа: и будет далее отмечено, что, в соответствии с некоторыми теориями, которые будут рассмотрены позже, он не является неизменным при изменении его ориентации.

На данный момент, однако, потребность в каком-либо изменении определения единицы совершенно не ощущается; мы должны, напротив, надеяться, что использование единицы, принятой физиками всего мира, будет распространяться все больше и больше. Справедливо заметить, что некоторые ошибки все еще возникают в отношении этой единицы и что эти ошибки были облегчены непоследовательным законодательством. Сама Франция, хотя она была восхитительным инициатором метрической системы, слишком долго допускала существование весьма прискорбной путаницы; и нельзя не отметить с некоторой грустью, что только 11 июля 1903 года был издан закон, восстанавливающий согласие между законным и научным определением метра.

Возможно, не будет бесполезным кратко указать здесь причины возникшего разногласия. Могут быть даны, и фактически были даны, два определения метра. Одно имело своей основой размеры Земли, другое — длину материального эталона. В сознании основателей метрической системы первое из них было истинным определением единицы длины, второе — лишь простым представлением. Однако было признано, что это представление было сконструировано достаточно совершенным образом, чтобы было почти невозможно заметить какую-либо разницу между единицей и ее представлением, и чтобы практическая идентичность двух определений была таким образом обеспечена. Создатели метрической системы были убеждены, что измерения меридиана, выполненные в их дни, никогда не смогут быть превзойдены по точности; и, с другой стороны, заимствуя у природы определенную основу, они думали лишить определение единицы некоторой доли его произвольного характера и обеспечить средства для повторного нахождения той же единицы, если по какой-либо случайности эталон изменится. Их уверенность в ценности процессов, которые они видели в применении, была преувеличенной, а их недоверие к будущему — неоправданным. Этот пример показывает, как неосмотрительно пытаться устанавливать пределы прогрессу. Ошибочно думать, что ход науки можно остановить; и в действительности теперь известно, что десятимиллионная часть четверти земного меридиана длиннее метра на 0,187 миллиметра. Но современные физики не впадают в ту же ошибку, что и их предшественники, и они рассматривают нынешний результат лишь как временный. Они догадываются, по сути, что новые улучшения будут достигнуты в искусстве измерения; они знают, что геодезические процессы, хотя и значительно улучшенные в наши дни, все еще должны многое сделать, чтобы достичь точности, проявляемой при конструировании и определении эталонов первого разряда; и, следовательно, они не предлагают сохранять древнее определение, которое привело бы к тому, что единицей стала бы величина, обладающая с практической точки зрения серьезным недостатком — постоянной изменчивостью.

Мы можем даже считать, что, если рассматривать теоретически, его постоянство не было бы обеспечено. Ничто, по сути, не доказывает, что со временем не могут возникнуть заметные вариации в значении дуги меридиана, и могут возникнуть серьезные трудности относительно вероятной неравномерности различных меридианов.

По всем этим причинам от идеи поиска естественной единицы постепенно отказались, и мы смирились с принятием в качестве фундаментальной единицы произвольной и условной длины, имеющей материальное представление, признанное всеобщим согласием; и именно эта единица была освящена следующим законом от 11 июля 1903 года:

«Эталонным прототипом метрической системы является международный метр, который был санкционирован Генеральной конференцией по мерам и весам».

§ 3. ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ

По поводу мер массы можно было бы сделать замечания, подобные тем, что касаются мер длины. Путаница здесь была, пожалуй, еще большей, потому что к неопределенности, связанной с установлением единицы, добавилась некоторая нерешительность относительно самой природы определяемой величины. В законе, как и в обычной практике, понятия веса и массы, по сути, не были разделены с достаточной ясностью.

Они представляют, однако, две существенно разные вещи. Масса — это характеристика количества материи; она не зависит ни от географического положения, которое занимают, ни от высоты, на которую можно подняться; она остается неизменной до тех пор, пока ничего материального не добавляется и не отнимается. Вес — это действие, которое гравитация оказывает на рассматриваемое тело; это действие зависит не только от тела, но и от Земли; и когда его перемещают из одного места в другое, вес меняется, потому что гравитация варьируется в зависимости от широты и высоты.

Эти элементарные понятия, сегодня понятные даже юным начинающим, по-видимому, долгое время воспринимались нечетко. Различие оставалось запутанным во многих умах, потому что, по большей части, массы оценивались сравнительно через посредство весов. Оценки веса, сделанные с помощью весов, используют действие веса на коромысло, но в таких условиях, что влияние изменений гравитации становится исключенным. Два веса, которые сравниваются, могут оба измениться, если взвешивание производится в разных местах, но они притягиваются в той же пропорции. Если они однажды равны, они остаются равными, даже если в действительности они оба могли измениться.

Действующий закон определяет килограмм как эталон массы, и закон, безусловно, соответствует довольно неясно выраженным намерениям основателей метрической системы. Их терминология была расплывчатой, но они, безусловно, имели в виду предоставление эталона для коммерческих сделок, и совершенно очевидно, что при бартере то, что важно как для покупателя, так и для продавца, — это не притяжение, которое Земля может оказывать на товары, а количество, которое может быть поставлено за данную цену. Кроме того, тот факт, что основатели воздержались от указания какого-либо конкретного места в определении килограмма, когда они прекрасно знали о значительных изменениях в интенсивности гравитации, не оставляет сомнений в их реальном желании.

Те же возражения были сделаны против определения килограмма, первоначально рассматривавшегося как масса кубического дециметра воды при 4° C., что и против первого определения метра. Мы должны восхищаться невероятной точностью, достигнутой в самом начале физиками, которые делали первоначальные определения, но мы знаем в настоящее время, что килограмм, который они сконструировали, немного слишком тяжел (примерно на 1/25 000). Очень примечательные исследования были проведены в отношении этого определения Международным бюро, а также г-нами Масе де Лепине и Бюиссоном. Закон от 11 июля 1903 года окончательно узаконил обычай, который физики приняли несколькими годами ранее; и эталоном массы, законным прототипом метрической системы, является теперь международный килограмм, санкционированный Конференцией по мерам и весам.

Сравнение массы с эталоном осуществляется с точностью, которой не может достичь никакое другое измерение. Метрология ручается за сотую долю миллиграмма в килограмме; то есть она оценивает стомиллионную часть изучаемой величины.

Мы можем — как и в случае с длинами — задаться вопросом, может ли эта уже восхитительная точность быть превзойдена; и прогресс, по-видимому, будет медленным, ибо трудности необычайно возрастают, когда мы доходим до таких малых количеств. Но позволено надеяться, что физики будущего сделают еще лучше, чем сегодняшние; и, возможно, мы сможем мельком увидеть время, когда мы начнем замечать, что эталон, который сконструирован из тяжелого металла, а именно иридиевой платины, сам подчиняется по-видимому общему закону и мало-помалу теряет некоторые частицы своей массы путем эманации.

§ 4. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ

Третьей фундаментальной величиной механики является время. Нет, так сказать, ни одного физического явления, в котором понятие времени, связанное с последовательностью наших состояний сознания, не играло бы значительной роли.

Наследственные привычки и очень ранняя традиция привели нас к сохранению в качестве единицы времени единицы, связанной с движением Земли; и единицей, принятой сегодня, является, как мы знаем, шестидесятеричная секунда среднего времени. Эта величина, определенная таким образом условиями естественного движения, которое само по себе может быть изменено, по-видимому, не предлагает всех желаемых гарантий с точки зрения неизменности. Несомненно, что все трение, оказываемое на Землю — приливами, например, — должно медленно удлинять продолжительность дня и должно влиять на движение Земли вокруг Солнца. Такое влияние, безусловно, очень незначительно, но оно тем не менее придает к сожалению произвольный характер принятой единице.

Мы могли бы взять в качестве эталона времени продолжительность другого естественного явления, которое, по-видимому, всегда воспроизводится в идентичных условиях; продолжительность, например, данной световой вибрации. Но экспериментальные трудности оценки с такой единицей времен, которые обычно приходится рассматривать, были бы настолько велики, что на такую реформу на практике надеяться нельзя. Следует, более того, заметить, что продолжительность вибрации сама по себе может находиться под влиянием внешних обстоятельств, среди которых — изменения магнитного поля, в котором находится ее источник. Она не могла бы, следовательно, строго рассматриваться как независимая от Земли; и теоретическое преимущество, которое можно было бы ожидать от этого изменения, было бы несколько иллюзорным.

Возможно, в будущем прибегнут к совсем другим явлениям. Так, Кюри указал, что если воздух внутри стеклянной трубки был сделан радиоактивным раствором радия, трубку можно запаять, и тогда будет замечено, что излучение ее стенок уменьшается со временем в соответствии с экспоненциальным законом. Константа времени, выведенная из этого явления, остается той же самой, какова бы ни была природа и размеры стенок трубки или температура, и время могло бы таким образом быть определено независимо от всех других единиц.

Мы могли бы также, как г-н Липпман предложил чрезвычайно остроумным способом, решить получать меры времени, которые могут считаться абсолютными, потому что они определяются параметрами иной природы, чем природа измеряемой величины. Такие эксперименты становятся возможными благодаря явлениям гравитации. Мы могли бы использовать, например, маятник, приняв в качестве единицы силы силу, которая делает константу гравитации равной единице. Единица времени, определенная таким образом, была бы независима от единицы длины и зависела бы только от вещества, которое дало бы нам единицу массы при единице объема.

Было бы одинаково возможно использовать электрические явления, и можно было бы придумать эксперименты, совершенно легкие в исполнении. Так, заряжая конденсатор с помощью батареи и разряжая его заданное число раз за заданный интервал времени, так чтобы эффект тока разряда был таким же, как эффект отдачи батареи через заданное сопротивление, мы могли бы оценить путем измерения электрических величин продолжительность отмеченного интервала. На систему такого рода нельзя смотреть как на простую игру ума, поскольку этот весьма практичный эксперимент легко позволил бы нам проверить с точностью, которая могла бы быть доведена очень далеко, постоянство интервала времени.

С практической точки зрения хронометрия сделала в последние несколько лет очень заметный прогресс. Ошибки в движениях хронометров исправляются гораздо более систематическим способом, чем прежде, и некоторые изобретения позволили осуществить важные улучшения в конструкции этих инструментов. Так, любопытные свойства, которые сталь в сочетании с никелем — столь восхитительно изученные г-ном Ш. Э. Гийомом — проявляет в вопросе расширения, теперь используются так, чтобы почти полностью уничтожить влияние изменений температуры.

§ 5. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Из трех механических единиц мы выводим вторичные единицы; как, например, единицу работы или механической энергии. Кинетическая теория принимает температуру, так же как и саму теплоту, за количество энергии и, таким образом, кажется, связывает это понятие с величинами механики. Но законность этой теории не может быть признана, и калорическое движение должно также быть явлением, настолько строго ограниченным в пространстве, что наши самые тонкие средства исследования не позволили бы нам его воспринять. Лучше, тогда, продолжать рассматривать единицу разности температур как отдельную единицу, добавляемую к фундаментальным единицам.

Чтобы определить меру определенной температуры, мы берем на практике некоторое произвольное свойство тела. Единственным необходимым условием этого свойства является то, что оно должно постоянно изменяться в одном и том же направлении, когда температура повышается, и что оно должно обладать при любой температуре хорошо выраженным значением. Мы измеряем это значение путем таяния льда и с помощью пара кипящей воды при нормальном давлении, и последовательные сотые доли его изменения, начиная с тающего льда, определяют процентную шкалу. Термодинамика, однако, сделала ясным, что мы можем установить термометрическую шкалу, не полагаясь на какое-либо определенное свойство реального тела. Такая шкала имеет абсолютное значение независимо от свойств материи. Теперь случается так, что если мы используем для оценки температур явления расширения при постоянном давлении или увеличения давления при постоянном объеме газообразного тела, мы получаем шкалу, очень близкую к абсолютной, которая почти совпадает с ней, когда газ обладает определенными качествами, которые делают его почти тем, что называется идеальным газом. Это самое счастливое совпадение решило выбор конвенции, принятой физиками. Они определяют нормальную температуру с помощью изменений давления в массе водорода, начиная с начального давления в метр ртутного столба при 0° C.

Г-н П. Шаппюи в некоторых очень точных экспериментах, проведенных с большим методом, доказал, что при обычных температурах показания такого термометра настолько близки к градусам теоретической шкалы, что почти невозможно установить значение расхождений или даже направление, которое они принимают. Расхождение становится, однако, явным, когда мы работаем с экстремальными температурами. Из полезных исследований г-на Даниэля Бертело следует, что мы должны вычесть +0,18° из показаний водородного термометра вблизи температуры -240° C и прибавить +0,05° к 1000°, чтобы приравнять их к термодинамической шкале. Конечно, разница стала бы еще более заметной при приближении к абсолютному нулю; ибо по мере того, как водород все больше и больше охлаждается, он постепенно проявляет в меньшей степени характеристики идеального газа.

Чтобы изучить нижние области, которые граничат с тем своего рода полюсом холода, к которому стремятся усилия многих физиков, преуспевших в последние годы в продвижении на несколько градусов дальше, мы можем обратиться к газу, который еще труднее сжижать, чем водород. Так, были сделаны термометры из гелия; и от температуры -260° C и ниже расхождение такого термометра с водородным очень заметно.

Измерение очень высоких температур не открыто для тех же теоретических возражений, что и измерение очень низких температур; но с практической точки зрения его так же трудно осуществить с обычным газовым термометром. Становится невозможным гарантировать, что резервуар останется достаточно непроницаемым, и всякая надежность исчезает, несмотря на использование сосудов, гораздо превосходящих те, что были в прежние времена, таких как те, что были недавно придуманы физиками Рейхсанштальта. Эта трудность устраняется использованием других методов, таких как применение термоэлектрических пар, например, очень удобной пары г-на Ле Шателье; но градуировка этих инструментов может быть осуществлена только ценой довольно смелой экстраполяции.

Г-н Д. Бертело указал и экспериментировал с очень интересным процессом, основанным на измерении с помощью явлений интерференции показателя преломления столба воздуха, подвергнутого температуре, которую желательно измерить. Кажется допустимым, что даже при самых высоких температурах изменение преломляющей способности строго пропорционально изменению плотности, ибо эта пропорция точно проверяется до тех пор, пока ее можно точно проверить. Мы можем, таким образом, с помощью метода, который предлагает большое преимущество быть независимым от мощности и размеров используемых оболочек — поскольку в расчет входит только длина рассматриваемого столба воздуха — получить результаты, эквивалентные тем, что дает обычный воздушный термометр.

Другой метод, очень старый в принципе, также недавно приобрел большое значение. Долгое время мы стремились оценить температуру тела, изучая его излучение, но мы не знали никакой положительной связи между этим излучением и температурой, и у нас не было хорошего экспериментального метода оценки, а прибегали к чисто эмпирическим формулам и использованию аппаратов малой точности. Теперь, однако, многие физики, продолжая классические исследования Кирхгофа, Больцмана, профессоров Вина и Планка и беря за отправную точку законы термодинамики, дали формулы, которые устанавливают излучательную способность темного тела как функцию температуры и длины волны, или, что еще лучше, полной мощности как функции температуры и длины волны, соответствующей максимальному значению мощности излучения. Мы видим, следовательно, возможность апеллировать для измерения температуры к явлению, которое уже не является изменением упругой силы газа, и все же также связано с принципами термодинамики.

Это то, что профессора Луммер и Прингсхайм показали в серии исследований, которые, безусловно, могут быть причислены к величайшим экспериментальным исследованиям последних нескольких лет. Они сконструировали излучатель, близко напоминающий теоретически интегральный излучатель, которым был бы закрытый изотермический сосуд, и только с очень маленьким отверстием, которое позволяет нам собирать снаружи излучения, находящиеся в равновесии с внутренним пространством. Этот сосуд образован полым углеродным цилиндром, нагреваемым током высокой интенсивности; излучения изучаются с помощью болометра, расположение которого варьируется в зависимости от природы экспериментов.

Едва ли возможно вдаваться в детали метода, но результат достаточно указывает на его важность. Теперь возможно, благодаря их исследованиям, оценить температуру 2000° C с точностью до 5°. Десять лет назад подобное приближение едва ли могло быть достигнуто для температуры 1000° C.

§ 6. ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ И ИЗМЕРЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ЭНЕРГИИ

Должно быть понятно, что только по произвольной конвенции устанавливается зависимость между производной единицей и фундаментальными единицами. Законы чисел в физике часто являются лишь законами пропорции. Мы превращаем их в законы уравнения, потому что вводим численные коэффициенты и выбираем единицы, от которых они зависят, так, чтобы максимально упростить наиболее используемые формулы. Определенная скорость, например, в действительности есть не что иное, как скорость, и только благодаря особому выбору единицы мы можем сказать, что это пространство, пройденное за единицу времени. Таким же образом количество электричества есть количество электричества; и нет ничего, что доказывало бы, что в своей сущности оно действительно сводимо к функции массы, длины и времени.

Все еще можно встретить лиц, которые, кажется, имеют некоторые иллюзии по этому пункту и которые видят в доктрине размерностей единиц доктрину общей физики, в то время как это, по правде говоря, только доктрина метрологии. Знание размерностей ценно, поскольку оно позволяет нам, например, легко проверить однородность формулы, но оно никоим образом не может дать нам никакой информации о фактической природе измеряемой величины.

Величины, которым мы приписываем одинаковые размерности, могут быть качественно не сводимы одна к другой. Так, различные формы энергии измеряются одной и той же единицей, и все же кажется, что некоторые из них, такие как кинетическая энергия, действительно зависят от времени; в то время как для других, таких как потенциальная энергия, зависимость, установленная системой измерения, кажется несколько фиктивной.

Численное значение количества энергии любой природы должно в системе СГС выражаться в терминах единицы, называемой эрг; но, по сути, когда мы хотим сравнить и измерить различные количества энергии различных форм, таких как электрические, химические и другие количества и т. д., мы почти всегда используем метод, при котором все эти энергии в конечном итоге преобразуются и используются для нагревания воды калориметра. Поэтому очень важно хорошо изучить калорическое явление, выбранное в качестве единицы теплоты, и определить с точностью его механический эквивалент, то есть число эрг, необходимое для производства этой единицы. Это число, которое, по принципу эквивалентности, не зависит ни от используемого метода, ни от времени, ни от какого-либо другого внешнего обстоятельства.

В результате блестящих исследований Роуланда и г-на Гриффитса по изменениям удельной теплоемкости воды физики решили принять в качестве калорического эталона количество теплоты, необходимое для нагревания грамма воды с 15° до 16° C, при этом температура измеряется по шкале водородного термометра Международного бюро.

С другой стороны, новые определения механического эквивалента, среди которых справедливо упомянуть определение г-на Эймса, и полное обсуждение лучших результатов привели к принятию числа 4,187 для представления числа эрг, способных произвести единицу теплоты.

На практике измерение количества теплоты очень часто осуществляется с помощью ледяного калориметра, использование которого особенно просто и удобно. Существует, следовательно, очень особый интерес в точном знании точки плавления льда. Г-н Ледюк, который в течение нескольких лет измерял большое количество физических констант с минутными предосторожностями и замечательным чувством точности, заключает после тщательного обсуждения различных полученных результатов, что эта теплота равна 79,1 калории. Ошибка почти в одну калорию была допущена несколькими известными экспериментаторами, и будет видно, что в некоторых пунктах искусство измерения может быть еще значительно усовершенствовано.

К единице энергии могли бы быть немедленно присоединены другие единицы. Например, поскольку излучение есть не что иное, как поток энергии, мы могли бы, чтобы установить фотометрические единицы, разделить нормальный спектр на полосы заданной ширины и измерить мощность каждой для единицы излучающей поверхности.

Но, несмотря на некоторые недавние исследования по этому вопросу, мы еще не можем считать распределение энергии в спектре идеально известным. Если мы примем отличную привычку, которая существует в некоторых исследованиях, выражать излучающую энергию в эргах, все еще принято приводить излучения к эталону, дающему самим своим строением единицу одного конкретного излучения. В частности, все еще придерживаются определений, которые были приняты в результате исследований г-на Виоля по излучению плавленой платины при температуре затвердевания; и большинство физиков используют в обычных методах фотометрии четко определенные понятия г-на Блонделя относительно световой интенсивности потока, освещенности, яркости и освещения, с соответствующими единицами: десятичная свеча, люмен, люкс, карсель, свеча на квадратный сантиметр и люмен-час.

§ 7. ИЗМЕРЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ КОНСТАНТ

Прогресс метрологии привел, как следствие, к соответствующему прогрессу почти во всех физических измерениях, и особенно в измерении природных констант. Среди них константа гравитации занимает положение, совершенно отдельное по важности и простоте физического закона, который ее определяет, а также по своей общности. Две материальные частицы взаимно притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Коэффициент пропорции определяется, как только выбраны единицы, и как только мы знаем численные значения этой силы, двух масс и их расстояния. Но когда мы хотим провести лабораторные эксперименты, появляются серьезные трудности из-за слабости притяжения между массами обычных размеров. Микроскопические силы, так сказать, должны наблюдаться, и поэтому должны быть избегнуты все причины ошибок, которые были бы несущественны в большинстве других физических исследований. Известно, что Кавендиш был первым, кто преуспел с помощью крутильных весов в осуществлении довольно точных измерений. Этот метод был снова взят в руки разными экспериментаторами, и самые последние результаты принадлежат г-ну Вернону Бойсу. Этот ученый физик также является автором очень полезного практического изобретения и преуспел в изготовлении кварцевых нитей настолько тонких, насколько можно пожелать, и чрезвычайно однородных. Он находит, что эти нити обладают ценными свойствами, такими как идеальная упругость и большая прочность. Он смог, с нитями не более 1/500 миллиметра в диаметре, измерить с точностью пары порядка, ранее считавшегося вне диапазона эксперимента, и уменьшить размеры аппарата Кавендиша в пропорции 150 к 1. Большое преимущество, найденное в использовании этих маленьких инструментов, — это лучшее избегание возмущений, возникающих от сквозняков воздуха, и очень серьезного влияния малейшей неравномерности в температуре.

Другие методы были использованы в последние годы другими экспериментаторами, такие как метод барона Этвеша, основанный на использовании крутильного рычага, метод обычных весов, использованный особенно профессорами Рихарцем и Кригар-Менцелем, а также профессором Пойнтингом, и метод г-на Вильзинга, который использует весы с вертикальным коромыслом. Результаты довольно согласуются и приводят к приписыванию Земле плотности, равной 5,527.

Самым знакомым проявлением гравитации является тяжесть. Действие Земли на единицу массы, помещенную в одну точку, и интенсивность тяжести измеряются, как мы знаем, с помощью маятника. Методы измерения, будь то абсолютные или относительные определения, столь значительно улучшенные Борда и Бесселем, были еще более улучшены различными геодезистами, среди которых следует упомянуть г-на фон Штернека и генерала Деффоржа. Многочисленные наблюдения были сделаны во всех частях света различными исследователями и привели к довольно полному знанию распределения тяжести по поверхности земного шара. Таким образом, нам удалось сделать очевидными аномалии, которые нелегко нашли бы свое место в формуле Клеро.

Другая константа, определение которой имеет величайшую полезность в астрономии положения и значение которой входит в электромагнитную теорию, сегодня приняла, с новыми идеями о строении материи, еще более значительную важность. Я имею в виду скорость света, которая представляется нам, как мы увидим далее, максимальным значением скорости, которое может быть придано материальному телу.

После исторических экспериментов Физо и Фуко, возобновленных, как мы знаем, частично Корню, а частично Майкельсоном и Ньюкомбом, оставалось еще возможным увеличить точность измерений. Профессор Майкельсон предпринял некоторые новые исследования методом, который является комбинацией принципа зубчатого колеса Физо с вращающимся зеркалом Фуко. Зубчатое колесо здесь заменено, однако, решеткой, в которой линии и промежутки между ними занимают место зубьев и зазоров, причем отраженный свет возвращается только тогда, когда он попадает на промежуток между двумя линиями. Именитый американский физик оценивает, что он может таким образом оценить с точностью до пяти километров путь, проходимый светом за одну секунду. Это приближение соответствует относительному значению в несколько стотысячных, и оно далеко превосходит те, что были достигнуты до сих пор лучшими экспериментаторами. Когда все эксперименты будут завершены, они, возможно, решат некоторые вопросы, все еще находящиеся в подвешенном состоянии; например, вопрос о том, зависит ли скорость распространения от интенсивности. Если это окажется так, мы были бы приведены к важному выводу, что амплитуда колебаний, которая, безусловно, очень мала по отношению к уже крошечным длинам волн, не может рассматриваться как несущественная в отношении этих длин. Таким, по-видимому, был результат любопытных экспериментов г-на Мюллера и г-на Эберта, но эти результаты были недавно оспорены г-ном Даутом.

В случае звуковых колебаний, с другой стороны, следует отметить, что эксперимент, в соответствии с теорией, доказывает, что скорость увеличивается с амплитудой, или, если хотите, с интенсивностью. Г-н Виоль опубликовал важную серию экспериментов по скорости распространения очень сжатых волн, по деформациям этих волн и по отношениям скорости и давления, которые подтверждают замечательным образом результаты, предвосхищенные уже старыми расчетами Римана, повторенными позже Гюгонио. Если, напротив, амплитуда достаточно мала, существует предел скорости, который одинаков в большой трубе и в свободном воздухе. С помощью некоторых прекрасных экспериментов г-да Виоль и Вотье ясно показали, что любое возмущение в воздухе довольно быстро сливается в единую волну заданной формы, которая распространяется на расстояние, постепенно ослабевая и показывая постоянную скорость, которая мало отличается в сухом воздухе при 0° C от 331,36 метра в секунду. В узкой трубе влияние стенок дает о себе знать и производит различные эффекты, в частности своего рода дисперсию в пространстве гармоник звука. Это явление, согласно г-ну Бриллюэну, совершенно объяснимо теорией, подобной теории решеток.

ГЛАВА III

ПРИНЦИПЫ

§ 1. ПРИНЦИПЫ ФИЗИКИ

Добросовестно наблюдаемые факты ведут путем индукции к формулировке некоторого числа законов или общих гипотез, которые являются принципами, уже упомянутыми. Эти основные гипотезы являются, в глазах физика, законными обобщениями, последствия которых мы сможем сразу же проверить экспериментами, из которых они исходят.

Среди принципов, почти повсеместно принятых до недавнего времени, видное место занимают принципы механики — такие как принцип относительности и принцип равенства действия и противодействия. Мы не будем детализировать или обсуждать их здесь, но позже у нас будет возможность указать, как недавние теории о явлениях электричества поколебали доверие физиков к ним и привели некоторых ученых к сомнению в их абсолютной ценности.

Принцип Лавуазье, или принцип сохранения массы, представляется в двух разных аспектах в зависимости от того, рассматривается ли масса как коэффициент инерции материи или как фактор, который вмешивается в явления всемирного притяжения, и особенно в гравитацию. Мы увидим, когда будем рассматривать эти теории, как мы были приведены к предположению, что инерция зависит от скорости и даже от направления. Если бы эта концепция была точной, принцип неизменности массы был бы естественно разрушен. Рассматриваемая как фактор притяжения, является ли масса действительно неразрушимой?

Несколько лет назад такой вопрос показался бы необычайно дерзким. И все же закон Лавуазье настолько далек от самоочевидности, что веками ускользал от внимания физиков и химиков. Но его большая кажущаяся простота и его высокий характер общности, когда он был сформулирован в конце XVIII века, быстро придали ему такой авторитет, что никто не мог больше оспаривать его, если только не желал репутации чудака, склонного к парадоксальным идеям.

Важно, однако, заметить, что под обманчивыми метафизическими внешними видами мы в действительности используем пустые слова, когда повторяем афоризм: «Ничто не может быть потеряно, ничто не может быть создано», и выводим из него неразрушимость материи. Эта неразрушимость, по правде говоря, является экспериментальным фактом, и принцип зависит от эксперимента. Может даже показаться, на первый взгляд, более странным, чем нет, что вес телесной системы в данном месте, или частное от этого веса на вес эталонной массы — то есть масса этих тел — остается неизменным как тогда, когда температура меняется, так и тогда, когда химические реагенты заставляют исходные материалы исчезать и заменяться новыми. Мы можем, безусловно, считать, что в химическом явлении действительно происходят аннигиляции и создания материи; но экспериментальный закон учит нас, что существует компенсация в определенных отношениях.

Открытие радиоактивных тел сделало в некотором роде популярными спекуляции физиков о явлениях дезагрегации материи. Мы должны будем искать точное значение, которое должно быть придано экспериментам по эманации этих тел, и обнаружить, действительно ли эти эксперименты ставят под угрозу закон Лавуазье.

В течение нескольких лет разные экспериментаторы также осуществили много очень точных измерений веса различных тел как до, так и после химических реакций между этими телами. Два высокоопытных и осторожных физика, профессора Ландольт и Гейдвейллер, не колеблясь объявили сенсационный результат, что в определенных обстоятельствах вес уже не тот же самый после, как до реакции. В частности, вес раствора солей меди в воде не является точной суммой совместных весов соли и воды. Такие эксперименты, очевидно, очень деликатны; они были оспорены, и они не могут рассматриваться как достаточные для убеждения. Тем не менее следует, что больше не запрещено рассматривать закон Лавуазье как только приближенный закон; согласно Сэндфорду и Рэю, это приближение составило бы около 1/2 400 000. Это также результат, к которому пришел профессор Пойнтинг в экспериментах относительно возможного действия температуры на вес тела; и если это действительно так, мы можем успокоить себя и с точки зрения практического применения можем продолжать смотреть на материю как на неразрушимую.

Принципы физики, налагая определенные условия на явления, в некотором роде ограничивают область возможного. Среди этих принципов есть один, который, несмотря на свою важность по сравнению с общеизвестными принципами, менее знаком некоторым людям. Это принцип симметрии, более или менее осознанное применение которого, несомненно, можно найти в различных работах и даже в концепциях астрономов-коперниканцев, но который был обобщен и четко сформулирован впервые покойным М. Кюри. Этот выдающийся физик указал на преимущество введения в изучение физических явлений соображений о симметрии, знакомых кристаллографам; для того чтобы явление произошло, необходимо, чтобы в среде, в которой оно происходит, предварительно существовала определенная диссимметрия. Тело, например, может быть одушевлено определенной линейной скоростью или скоростью вращения; оно может быть сжато или скручено; оно может быть помещено в электрическое или магнитное поле; на него может воздействовать электрический ток или поток тепла; через него может проходить луч света, обычный или поляризованный прямолинейно или циркулярно и т. д.: в каждом случае в каждой точке рассматриваемого тела необходима определенная минимальная и характерная диссимметрия.

Это соображение позволяет нам предвидеть, что некоторые явления, которые можно было бы вообразить a priori, не могут существовать. Так, например, невозможно, чтобы электрическое поле — величина направленная и не налагаемая на свое изображение в зеркале, перпендикулярном ее направлению, — могло быть создано под прямым углом к плоскости симметрии среды; в то время как создание магнитного поля при тех же условиях было бы возможно.

Таким образом, это соображение ведет нас к открытию новых явлений; но следует понимать, что оно само по себе не может дать нам абсолютно точных представлений о природе этих явлений и не может раскрыть их порядок величины.

§ 2. ПРИНЦИП СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Принцип сохранения энергии, доминирующий не только в физике, но и почти во всех других науках, по праву считается величайшим завоеванием современной мысли. Он открывает нам в мощном свете самые разнообразные вопросы; он вносит порядок в самые разные исследования; он ведет к ясному и последовательному истолкованию явлений, которые без него кажутся не имеющими связи друг с другом; и он предоставляет точные и строгие численные соотношения между величинами, входящими в эти явления.

Самые смелые умы питают к нему инстинктивное доверие, и это тот принцип, который наиболее стойко сопротивлялся натиску, направленному в последнее время дерзостью нескольких теоретиков на ниспровержение общих принципов физики. При каждом новом открытии первая мысль физиков — выяснить, как оно согласуется с принципом сохранения энергии. Применение этого принципа, более того, никогда не перестает давать ценные указания относительно нового явления, а зачастую даже подсказывает дополнительное открытие. До сих пор кажется, что он никогда не встречал препятствий, даже необычайные свойства радия не противоречат ему серьезно; также общая форма, в которой он сформулирован, придает ему такую гибкость, что его, несомненно, очень трудно опровергнуть.

Я не претендую на то, чтобы изложить здесь полную историю этого принципа, но постараюсь показать, с какими муками он рождался, как его сдерживали в первые дни, а затем препятствовали его развитию неблагоприятные условия среды, в которой он появился. Фактически, он прежде всего выступил против господствующих теорий; но постепенно он воздействовал на эти теории, и они модифицировались под его давлением; затем, в свою очередь, эти теории реагировали на него и изменяли его первоначальную форму.

Его пришлось сделать менее широким, чтобы вписать в классические рамки, и он был поглощен механикой; и если он таким образом стал менее общим, то выиграл в точности то, что потерял в охвате. Будучи однажды окончательно принятым и, так сказать, классифицированным в официальной области науки, он попытался разорвать свои оковы и вернуться к более независимой и широкой жизни. История этого принципа подобна истории всех эволюций.

Хорошо известно, что сохранение энергии сначала рассматривалось с точки зрения взаимных превращений между теплом и работой и что принцип получил свою первую четкую формулировку в частном случае принципа эквивалентности. Поэтому справедливо считается, что ученые, которые первыми усомнились в материальной природе теплорода, были предшественниками Р. Майера; однако их идеи были такими же, как у знаменитого немецкого врача, поскольку они стремились прежде всего доказать, что теплота является формой движения.

Не возвращаясь к ранним и изолированным попыткам, таким как попытки Даниила Бернулли, который в своей гидродинамике изложил основы кинетической теории газов, или исследования Бойля о трении, мы можем вспомнить, чтобы показать, как это формулировалось в прежние времена, довольно забытую страницу «Мемуаров о теплоте» (Mémoire sur la Chaleur), опубликованных в 1780 году Лавуазье и Лапласом: «Другие физики, — писали они после изложения теории теплорода, — думают, что теплота есть не что иное, как результат нечувствительных колебаний материи... В системе, которую мы сейчас рассматриваем, теплота — это живая сила (vis viva), возникающая в результате нечувствительных движений молекул тела; это сумма произведений массы каждой молекулы на квадрат ее скорости... Мы не будем решать между двумя предшествующими гипотезами; несколько явлений, по-видимому, подтверждают последнюю — например, явление теплоты, производимой трением двух твердых тел. Но есть другие, которые проще объясняются первой, и, возможно, они обе действуют одновременно». Большинство физиков того периода, однако, не разделяли осторожных сомнений Лавуазье и Лапласа. Они без колебаний приняли первую гипотезу; и через четыре года после появления «Мемуаров о теплоте» Сиго де Лафон, профессор физики с большой репутацией, писал: «Чистый огонь, свободный от всякого состояния соединения, кажется собранием частиц простой, однородной и абсолютно неизменной материи, и все свойства этого элемента указывают на то, что эти частицы бесконечно малы и свободны, что они не имеют ощутимого сцепления и что они движутся во всех возможных направлениях непрерывным и быстрым движением, которое им присуще... Чрезвычайная цепкость и удивительная подвижность его молекул явно проявляются в легкости, с которой он проникает в самые компактные тела, и в его тенденции приходить в равновесие во всех телах, находящихся рядом с ним».

Следует признать, однако, что идея Лавуазье и Лапласа была довольно расплывчатой и даже неточной в одном важном пункте. Они допускали как очевидное, что «все изменения теплоты, реальные или кажущиеся, претерпеваемые телесной системой при изменении ее состояния, производятся в обратном порядке, когда система возвращается в свое исходное состояние». Эта фраза является самым отрицанием эквивалентности, когда эти изменения состояния сопровождаются внешней работой.

Лаплас, более того, сам стал позже очень убежденным сторонником гипотезы о материальной природе теплорода, и его огромный авторитет, столь удачный в других отношениях для развития науки, был, безусловно, в данном случае причиной замедления прогресса.

Имена Юнга, Румфорда, Дэви часто упоминаются среди тех физиков, которые в начале девятнадцатого века уловили новые истины о природе теплоты. К этим именам совершенно справедливо добавляется имя Сади Карно. Заметка, найденная среди его бумаг, несомненно доказывает, что до 1830 года ему приходили в голову идеи, из которых следовало, что при совершении работы уничтожается эквивалентное количество теплоты. Но 1842 год особенно памятен в истории науки как год, в котором Юлиусу Роберту Майеру удалось, благодаря исключительно личным усилиям, действительно сформулировать принцип сохранения энергии. Химики с законной гордостью вспоминают, что «Замечания о силах живой природы» (Remarques sur les forces de la nature animée), презрительно отвергнутые всеми журналами по физике, были получены и опубликованы в «Анналах» (Annalen) Либиха. Мы никогда не должны забывать этот пример, который показывает, с каким трудом новая идея, противоречащая классическим теориям того периода, пробивается вперед; но в пользу физиков можно привести смягчающие обстоятельства.

Роберт Майер имел довольно недостаточное математическое образование, и его мемуары, «Замечания», а также последующие публикации, «Мемуар об органическом движении и питании» (Mémoire sur le mouvement organique et la nutrition) и «Материалы для динамики неба» (Matériaux pour la dynamique du ciel), содержат, наряду с очень глубокими идеями, очевидные ошибки в механике. Так часто случается, что открытия, выдвинутые в несколько расплывчатой манере авантюрными умами, не обремененными тяжелым багажом научной эрудиции, которые дерзко продвигаются впереди своего времени, впадают в совершенно понятное забвение, пока не будут переоткрыты, прояснены и оформлены более медленными, но более верными искателями. Так было с идеями Майера. Они не были поняты с первого взгляда не только из-за своей оригинальности, но и потому, что были изложены на некорректном языке.

Майер, однако, был наделен исключительной силой мысли; он выразил в довольно запутанной манере принцип, который для него имел общность большую, чем сама механика, и поэтому его открытие опередило не только его собственное время, но и полвека. Его справедливо можно считать основателем современной энергетики.

Освобожденная от неясностей, которые мешали ее четкому восприятию, его идея сегодня выделяется во всей своей внушительной простоте. Тем не менее, следует признать, что если она была несколько денатурирована теми, кто пытался адаптировать ее к теориям механики, и если она поначалу потеряла свою возвышенную печать общности, то она таким образом прочно закрепилась и консолидировалась на более стабильной основе.

Усилия Гельмгольца, Клаузиуса и лорда Кельвина по внедрению принципа сохранения энергии в механику были далеко не бесполезны. Этим выдающимся физикам удалось придать более точную форму его многочисленным применениям; и их попытки, таким образом, способствовали, по реакции, приданию нового импульса механике и позволили связать ее с более общим порядком фактов. Если энергетику не удалось включить в механику, то кажется, что попытка включить механику в энергетику не была напрасной.

В середине прошлого века объяснение всех природных явлений казалось все более сводимым к случаю центральных сил. Повсюду считалось, что можно воспринимать взаимные действия между материальными точками, причем эти точки притягиваются или отталкиваются друг другом с интенсивностью, зависящей только от их расстояния или их массы. Если к системе, составленной таким образом, применить законы классической механики, то оказывается, что половина суммы произведения масс на квадрат скоростей, к которой добавлена работа, которая могла бы быть совершена силами, которым система была бы подвержена, если бы она вернулась из своего фактического в свое начальное положение, является суммой, постоянной по величине.

Эта сумма, которая является механической энергией системы, является, следовательно, неизменной величиной во всех состояниях, в которые она может быть приведена взаимодействием ее различных частей, и слово «энергия» хорошо выражает капитальное свойство этой величины. Ибо если две системы соединены таким образом, что любое изменение, произведенное в одной, обязательно вызывает изменение в другой, то не может быть никакого изменения в характерной величине второй, кроме как в той мере, в какой изменяется сама характерная величина первой — при условии, конечно, что соединения сделаны таким образом, чтобы не вводить никакой новой силы. Таким образом, будет видно, что эта величина хорошо выражает способность, которой обладает система для изменения состояния соседней системы, к которой мы можем предположить, что она подключена.

Но эта теорема чистой механики оказывалась несостоятельной каждый раз, когда происходило трение — то есть во всех действительно наблюдаемых случаях. Чем заметнее трение, тем значительнее разница; но, кроме того, всегда появлялось новое явление, и производилась теплота. С помощью экспериментов, которые сейчас являются классическими, было установлено, что количество теплоты, создаваемое таким образом независимо от природы тел, всегда (при условии, что не вмешиваются другие явления) пропорционально энергии, которая исчезла. Взаимно, также, теплота может исчезнуть, и мы всегда находим постоянное соотношение между количествами теплоты и работы, которые взаимно заменяют друг друга.

Совершенно ясно, что такие эксперименты не доказывают, что теплота — это работа. Мы могли бы с таким же успехом сказать, что работа — это теплота. Принимать это сведение теплоты к механизму — значит делать произвольную гипотезу; но эта гипотеза была настолько соблазнительной и настолько соответствовала желанию почти всех физиков прийти к какому-то единству в природе, что они приняли ее с готовностью и стали безоговорочно убеждены, что теплота — это активная внутренняя сила.

Их ошибка была не в принятии этой гипотезы; она была законной, поскольку оказалась очень плодотворной. Но некоторые из них совершили ошибку, забыв, что это гипотеза, и сочли ее доказанной истиной. Более того, их таким образом привели к тому, что они не видели в явлениях ничего, кроме этих двух частных форм энергии, которые в их умах легко отождествлялись друг с другом.

С самого начала, однако, стало очевидно, что принцип применим к случаям, где теплота играет лишь паразитическую роль. Таким образом, путем перевода принципа эквивалентности были обнаружены численные соотношения между величинами электричества, например, и величинами механики. Теплота была своего рода переменным посредником, удобным для вычислений, но введенным окольным путем и предназначенным для исчезновения в конечном результате.

Верде, который в лекциях, справедливо оставшихся знаменитыми, с замечательной ясностью определил новые теории, сказал в 1862 году: «Электрические явления всегда сопровождаются калорическими проявлениями, изучение которых относится к механической теории теплоты. Это изучение, более того, не только даст нам возможность узнать интересные факты в электричестве, но и прольет некоторый свет на сами явления электричества».

Выдающийся профессор таким образом выражал общее мнение своих современников, но он, безусловно, казался предчувствовавшим, что новая теория вот-вот проникнет глубже во внутреннюю природу вещей. Тремя годами ранее Рэнкин также выдвинул некоторые весьма примечательные идеи, полное значение которых поначалу не было хорошо понято. Именно он понял полезность использования более инклюзивного термина и изобрел фразу «энергетика». Он также попытался создать новую доктрину, частным случаем которой должна была быть рациональная механика; и он показал, что можно отказаться от идей атомов и центральных сил и построить более общую систему, заменив обычное рассмотрение сил рассмотрением энергии, которая существует во всех телах, частично в актуальном, частично в потенциальном состоянии.

Придавая больше точности концепциям Рэнкина, физики конца девятнадцатого века были приведены к мнению, что во всех физических явлениях происходят появления и исчезновения, которые уравновешиваются различными энергиями. Естественно, однако, предполагать, что эти эквивалентные появления и исчезновения соответствуют превращениям, а не одновременным созданиям и разрушениям. Мы таким образом представляем себе энергию как принимающую различные формы — механическую, электрическую, калорическую и химическую — способные превращаться одна в другую, но таким образом, что количественное значение всегда остается тем же самым. Подобным образом банковский перевод может быть представлен банкнотами, золотом, серебром или слитками. Самая ранняя известная форма энергии, т.е. работа, будет служить стандартом, как золото служит денежным стандартом, и энергия во всех своих формах будет оцениваться соответствующей работой. В каждом частном случае мы можем строго определить и измерить, путем правильного применения принципа сохранения энергии, количество энергии, выделяемой в данной форме.

Мы можем таким образом организовать машину, содержащую тело, способное выделять эту энергию; затем мы можем заставить все органы этой машины совершить полностью замкнутый цикл, за исключением самого тела, которое, однако, должно вернуться в такое состояние, чтобы все переменные, от которых зависит это состояние, вернулись к своим начальным значениям, за исключением той частной переменной, с которой связано выделение рассматриваемой энергии. Разница между работой, совершенной таким образом, и той, которая была бы получена, если бы эта переменная также вернулась к своему первоначальному значению, является мерой выделенной энергии.

Подобно тому, как в умах механиков все силы любого происхождения, которые способны соединяться друг с другом и уравновешивать друг друга, принадлежат к одной и той же категории существ, так и для многих физиков энергия — это своего рода сущность, которую мы находим в различных аспектах. Таким образом, для них существует мир, который в некотором роде накладывается на мир материи — то есть мир энергии, доминируемый, в свою очередь, фундаментальным законом, подобным закону Лавуазье. Эта концепция, как мы уже видели, выходит за пределы опыта; но другие идут еще дальше. Поглощенные созерцанием этого нового мира, они преуспевают в убеждении себя, что старый мир материи не имеет реального существования и что энергии достаточно самой по себе, чтобы дать нам полное понимание Вселенной и всех явлений, происходящих в ней. Они указывают на то, что все наши ощущения соответствуют изменениям энергии и что все, что очевидно для наших чувств, есть, по правде, энергия. Знаменитый эксперимент с ударами палкой, с помощью которого скептически настроенному философу было продемонстрировано, что внешний мир существует, доказывает, в действительности, только существование энергии, а не материи. Палка сама по себе безобидна, как отмечает профессор Оствальд, и именно ее живая сила (vis viva), ее кинетическая энергия, болезненна для нас; в то время как если бы мы обладали скоростью, равной ее собственной, двигаясь в том же направлении, она бы больше не существовала, насколько это касается нашего чувства осязания.

Согласно этой гипотезе, материя была бы только способностью к кинетической энергии, ее претендуемая непроницаемость — энергией объема, а ее вес — энергией положения в той частной форме, которая проявляется во всемирном тяготении; более того, само пространство было бы известно нам только по затрате энергии, необходимой для его преодоления. Таким образом, во всех физических явлениях нам оставалось бы только учитывать количества энергии, приведенные в действие, и все уравнения, которые связывают явления друг с другом, не имели бы смысла, кроме как тогда, когда они применяются к обменам энергии. Ибо только энергия может быть общей для всех явлений.

Этот крайний способ рассмотрения вещей соблазнителен своей оригинальностью, но кажется несколько недостаточным, если после формулирования общих положений мы внимательнее вглядимся в вопрос. С философской точки зрения может, более того, показаться трудным не сделать вывод, исходя из качеств, которые раскрывают, если хотите, разнообразные формы энергии, что существует субстанция, обладающая этими качествами. Эта энергия, которая пребывает в одном регионе и которая переносится из одного места в другое, принудительно вызывает в памяти, какой бы взгляд мы ни приняли на нее, идею материи.

Гельмгольц пытался построить механику, основанную на идее энергии и ее сохранения, но ему пришлось прибегнуть ко второму закону, принципу наименьшего действия. Если ему таким образом удалось обойтись без гипотезы атомов и показать, что новая механика дает нам понять невозможность некоторых движений, которые, согласно старой, должны были быть, но никогда не были экспериментально произведены, то он смог сделать это только потому, что принцип наименьшего действия, необходимый для его теории, стал очевидным в случае тех необратимых явлений, которые одни только действительно существуют в природе. Энергетикам, таким образом, не удалось сформировать вполне здравой системы, но их усилия во всяком случае были частично успешными. Большинство физиков придерживаются их мнения, что кинетическая энергия — это лишь частная разновидность энергии, к которой у нас нет права стремиться присоединить все остальные ее формы.

Если бы эти формы оказались бесчисленными во всей Вселенной, принцип сохранения энергии, по сути, потерял бы большую часть своей важности. Каждый раз, когда определенное количество энергии, казалось бы, появлялось или исчезало, всегда было бы позволительно предположить, что эквивалентное количество появилось или исчезло где-то в другом месте в новой форме; и таким образом принцип в некотором роде исчез бы. Но известные формы энергии довольно ограничены в числе, и необходимость признания новых редко дает о себе знать. Мы увидим, однако, что для объяснения, например, парадоксальных свойств радия и для восстановления согласия между этими свойствами и принципом сохранения энергии, некоторые физики прибегают к гипотезе, что радий заимствует неизвестную энергию из среды, в которую он погружен. Эта гипотеза, однако, никоим образом не является необходимой; и в нескольких других редких случаях, в которых приходилось выдвигать подобные гипотезы, эксперимент всегда в конечном счете позволял нам обнаружить какое-то явление, которое ускользнуло от первых наблюдателей и которое соответствует в точности вариации энергии, впервые ставшей очевидной.

Одна трудность, однако, возникает из того факта, что принцип должен применяться только к изолированной системе. Воображаем ли мы действия на расстоянии или верим в промежуточные среды, мы всегда должны признать, что в мире не существует тел, неспособных действовать друг на друга, и мы никогда не можем утверждать, что какая-то модификация энергии в данном месте не может иметь своего эха в каком-то неизвестном месте вдалеке. Эта трудность может иногда делать ценность принципа довольно иллюзорной.

Точно так же нам следует не принимать без некоторого недоверия распространение некоторыми философами на всю Вселенную свойства, продемонстрированного для тех ограниченных систем, которых может достичь только наблюдение. Мы ничего не знаем о Вселенной в целом, и всякое обобщение такого рода выходит в странной манере за пределы эксперимента.

Даже сведенный к самым скромным пропорциям, принцип сохранения энергии сохраняет, тем не менее, первостепенную важность; и он все еще сохраняет, если хотите, высокую философскую ценность. М. Ж. Перрен справедливо отмечает, что он дает нам форму, под которой мы экспериментально способны уловить причинность, и что он учит нас, что результат должен быть куплен ценой определенного усилия.

Мы можем, фактически, вместе с М. Перреном и М. Ланжевеном, представить это в виде, который делает эту характеристику очевидной, сформулировав ее следующим образом: «Если ценой изменения C мы можем получить изменение K, то никогда не будет приобретено за ту же цену, какой бы механизм ни использовался, сначала изменение K и в дополнение какое-то другое изменение, если только последнее не является таким, которое, как известно, ничего не стоит произвести или уничтожить». Если, например, падение груза может сопровождаться, без производства чего-либо еще, другим превращением — таянием определенной массы льда, например, — то будет невозможно, как бы вы ни старались или какой бы механизм ни использовали, связать это же превращение с таянием другого веса льда.

Мы можем таким образом, в рассматриваемом превращении, получить соответствующее число, которое суммирует то, что можно ожидать от внешнего эффекта, и можем дать, так сказать, цену, за которую это превращение куплено, измерить его неизменную ценность общей мерой (например, таянием льда) и, без всякой двусмысленности, определить энергию, потерянную во время превращения, как пропорциональную массе льда, которая может быть с ней связана. Эта мера, более того, независима от частного явления, взятого в качестве общей меры.

§ 3. ПРИНЦИП КАРНО И КЛАУЗИУСА

Принцип Карно, по своей природе аналогичный принципу сохранения энергии, имеет также сходное происхождение. Он был впервые сформулирован, подобно последнему, хотя и до него по времени, вследствие соображений, которые имеют дело только с теплотой и механической работой. Подобно ему, он также эволюционировал, рос и вторгался во всю область физики. Может быть интересно быстро рассмотреть различные фазы этой эволюции. Происхождение принципа Карно четко определено, и очень редко удается вернуться таким образом с уверенностью к источнику открытия. Сади Карно, по правде говоря, не имел предшественника. В его время тепловые двигатели были еще не очень распространены, и никто не размышлял много об их теории. Он был, несомненно, первым, кто задал себе определенные вопросы, и, безусловно, первым, кто их решил.

Известно, как в 1824 году в своих «Размышлениях о движущей силе огня» (Réflexions sur la puissance motrice du feu) он попытался доказать, что «движущая сила теплоты независима от агентов, приведенных в действие для ее реализации», и что «ее количество фиксируется исключительно температурой тел, между которыми, в конечном счете, осуществляется перенос теплорода» — по крайней мере, во всех двигателях, в которых «метод развития движущей силы достигает совершенства, на которое он способен»; и это почти дословно одна из формулировок принципа в настоящее время. Карно очень четко осознал тот великий факт, что для производства работы с помощью теплоты необходимо иметь в своем распоряжении падение температуры. По этому пункту он выражается с совершенной ясностью: «Движущая сила падения воды зависит от ее высоты и от количества жидкости; движущая сила теплоты зависит также от количества используемого теплорода и от того, что можно было бы назвать — фактически, что мы будем называть — высотой падения, то есть от разности температур тел, между которыми происходит обмен теплорода».

Начиная с этой идеи, он пытается продемонстрировать, объединив два двигателя, способных работать в обратимом цикле, что принцип основан на невозможности вечного двигателя.

Его мемуары, ныне знаменитые, не произвели большого впечатления, и они почти впали в глубокое забвение, которое, вследствие открытия принципа эквивалентности, могло показаться совершенно оправданным. Написанные, фактически, на гипотезе неразрушимости теплорода, следовало ожидать, что эти мемуары будут осуждены во имя новой доктрины, то есть принципа, недавно выявленного.

Это было действительно совершением нового открытия — установить, что фундаментальная идея Карно пережила разрушение гипотезы о природе теплоты, на которую он, казалось, полагался. Как он, несомненно, сам осознал, его идея была совершенно независима от этой гипотезы, поскольку, как мы видели, он был приведен к предположению, что теплота может исчезнуть; но его демонстрации нуждались в переработке и, в некоторых пунктах, в модификации.

Именно Клаузиусу была зарезервирована заслуга переоткрытия принципа и формулирования его на языке, соответствующем новым доктринам, придав ему при этом гораздо большую общность. Постулат, к которому пришли путем экспериментальной индукции и который должен быть принят без доказательства, согласно Клаузиусу, заключается в том, что в ряде превращений, в которых конечное состояние идентично начальному, невозможно, чтобы теплота переходила от более холодного тела к более теплому, если при этом не происходит какое-то другое вспомогательное явление.

Еще более корректно, возможно, может быть дана формулировка постулата, который, в основном, аналогичен, сказав: тепловой двигатель, который после ряда превращений возвращается в свое начальное состояние, может давать работу только в том случае, если существуют по крайней мере два источника теплоты и если определенное количество теплоты отдается одному из источников, который никогда не может быть более горячим из двух. Под выражением «источник теплоты» мы понимаем тело, внешнее по отношению к системе и способное поставлять или забирать у нее теплоту.

Начиная с этого принципа, мы приходим, как и Клаузиус, к демонстрации того, что КПД обратимой машины, работающей между двумя данными температурами, больше, чем у любого необратимого двигателя, и что он одинаков для всех обратимых машин, работающих между этими двумя температурами.

Это и есть само положение Карно; но положение, сформулированное таким образом, хотя и очень полезное для теории двигателей, еще не представляет никакого очень общего интереса. Клаузиус, однако, извлек из него гораздо более важные следствия. Во-первых, он показал, что принцип ведет к определению абсолютной шкалы температуры; а затем он оказался лицом к лицу с новым понятием, которое позволяет пролить сильный свет на вопросы физического равновесия. Я имею в виду энтропию.

Все еще довольно трудно полностью очистить это очень важное понятие от всякого аналитического украшения. Многие физики колеблются использовать его и даже смотрят на него с некоторым недоверием, потому что видят в нем чисто математическую функцию без какого-либо определенного физического смысла. Возможно, они здесь чрезмерно суровы, поскольку часто слишком легко допускают объективное существование величин, которые не могут определить. Так, например, принято почти каждый день говорить о теплоте, которой обладает тело. Однако ни одно тело в действительности не обладает определенным количеством теплоты даже относительно какого-либо начального состояния; поскольку, начиная с этой отправной точки, количества теплоты, которые оно могло получить или потерять, варьируются в зависимости от пройденного пути и даже от средств, используемых для следования по нему. Эти выражения «теплота, полученная или потерянная», более того, сами по себе очевидно некорректны, ибо теплоту больше нельзя рассматривать как своего рода жидкость, переходящую от одного тела к другому.

Истинная причина, которая делает энтропию несколько загадочной, заключается в том, что эта величина не попадает непосредственно под восприятие ни одного из наших чувств; но она обладает истинной характеристикой конкретной физической величины, поскольку она, по крайней мере в принципе, измерима. Различные авторы термодинамических исследований, среди которых следует особо отметить М. Муре, пытались сделать эту характеристику очевидной.

Рассмотрим изотермическое превращение. Вместо того чтобы позволить теплоте, оставленной телом, подвергающимся превращению — воде, конденсирующейся в состоянии насыщенного пара, например, — перейти непосредственно в ледяной калориметр, мы можем передать эту теплоту калориметру посредством обратимой машины Карно. Машина, поглотив это количество теплоты, отдаст льду только меньшее количество теплоты; и вес растаявшего льда, меньший, чем тот, который мог быть отдан непосредственно, послужит мерой изотермического превращения, совершенного таким образом. Легко показать, что эта мера не зависит от используемого аппарата. Она, следовательно, становится численным элементом, характерным для рассматриваемого тела, и называется его энтропией. Энтропия, определенная таким образом, является переменной, которая, подобно давлению или объему, могла бы служить одновременно с другой переменной, такой как давление или объем, для определения состояния тела.

Должно быть совершенно понятно, что эта переменная может изменяться независимым образом и что она, например, отлична от изменения температуры. Она также отлична от изменения, которое состоит в потерях или приобретениях теплоты. В химических реакциях, например, энтропия увеличивается без того, чтобы вещества заимствовали какую-либо теплоту. Когда идеальный газ расширяется в вакууме, его энтропия увеличивается, и все же температура не меняется, и газ не мог ни отдать, ни получить теплоту. Мы таким образом приходим к пониманию, что физическое явление не может считаться известным нам, если не дана вариация энтропии, как даны вариации температуры и давления или обмены теплоты. Изменение энтропии — это, собственно говоря, самый характерный факт теплового изменения.

Важно, однако, заметить, что если мы можем таким образом легко определить и измерить разность энтропии между двумя состояниями одного и того же тела, найденное значение зависит от состояния, произвольно выбранного в качестве нулевой точки энтропии; но это не очень серьезная трудность и аналогична той, которая возникает при оценке других физических величин — температуры, потенциала и т. д.

Более серьезная трудность проистекает из того, что невозможно определить разность или равенство энтропии между двумя химически различными телами. Мы неспособны, фактически, перейти какими-либо средствами, обратимыми или нет, от одного к другому, до тех пор, пока трансмутация материи рассматривается как невозможная; но хорошо понятно, что тем не менее возможно сравнить вариации энтропии, которым эти два тела оба индивидуально подвержены.

Также мы не должны скрывать от себя, что определение предполагает для данного тела возможность перехода из одного состояния в другое посредством обратимого превращения. Обратимость — это идеальный и крайний случай, который не может быть реализован, но который может быть приблизительно достигнут во многих обстоятельствах. Так с газами и с идеально упругими телами мы совершаем заметно обратимые превращения, и изменения физического состояния практически обратимы. Открытия Сент-Клер Девиля привели многие химические явления в аналогичную категорию, и реакции, такие как растворение, которые раньше были типом необратимого явления, теперь часто могут быть осуществлены заметно обратимыми средствами. Как бы то ни было, когда определение однажды принято, мы приходим, взяв за основу принципы, изложенные в начале, к демонстрации знаменитой теоремы Клаузиуса: Энтропия термически изолированной системы продолжает непрерывно возрастать.

Очень очевидно, что теорема может быть применима только в случаях, где энтропия может быть точно определена; но даже при таком ограничении область все еще остается обширной, и урожай, который мы можем там собрать, очень обилен.

Энтропия предстает, таким образом, как величина, измеряющая в некотором роде эволюцию системы, или, по крайней мере, как дающая направление этой эволюции. Это очень важное следствие, безусловно, не ускользнуло от Клаузиуса, поскольку само название «энтропия», которое он выбрал для обозначения этой величины, само по себе означает эволюцию. Мы преуспели в определении этой энтропии, продемонстрировав, как было сказано, определенное число положений, которые вытекают из постулата Клаузиуса; поэтому естественно предполагать, что этот постулат сам содержит in potentia саму идею необходимой эволюции физических систем. Но как он был впервые сформулирован, он содержит ее глубоко скрытым образом.

Несомненно, мы должны были бы представить принцип Карно в интересном свете, пытаясь высвободить эту фундаментальную идею и поместив ее, так сказать, крупными буквами. Точно так же, как в элементарной геометрии мы можем заменить постулат Евклида другими эквивалентными положениями, постулат термодинамики не обязательно фиксирован, и поучительно попытаться придать ему наиболее общий и наводящий на размышления характер.

ММ. Перрен и Ланжевен сделали успешную попытку в этом направлении. М. Перрен формулирует следующий принцип: Изолированная система никогда не проходит дважды через одно и то же состояние. В этой форме принцип утверждает, что существует необходимый порядок в последовательности двух явлений; что эволюция происходит в определенном направлении. Если хотите, это может быть сформулировано так: Из двух обратных превращений, не сопровождающихся никаким внешним эффектом, возможно только одно. Например, два газа могут диффундировать один в другой при постоянном объеме, но они не могли бы обратно разделиться самопроизвольно.

Начиная с принципа, выдвинутого таким образом, мы делаем логический вывод, что нельзя надеяться построить двигатель, который работал бы неопределенно долгое время, нагревая горячий источник и охлаждая холодный. Мы таким образом снова выходим на путь, проложенный Клаузиусом, и с этого момента мы можем следовать ему строго.

Какова бы ни была принятая точка зрения, рассматриваем ли мы положение М. Перрена как следствие другого экспериментального постулата или рассматриваем ли мы его как истину, которую мы допускаем a priori и проверяем через ее следствия, мы приходим к рассмотрению того, что в своей совокупности принцип Карно сводится к идее, что мы не можем вернуться назад по ходу жизни и что эволюция системы должна следовать своему необходимому прогрессу.

Клаузиус и лорд Кельвин извлекли из этих соображений некоторые хорошо известные следствия об эволюции Вселенной. Замечая, что энтропия — это свойство, добавленное к материи, они допускают, что в мире существует общее количество энтропии; и так как все реальные изменения, которые производятся в любой системе, соответствуют увеличению энтропии, можно сказать, что энтропия мира постоянно увеличивается. Таким образом, количество энергии, существующее во Вселенной, остается постоянным, но превращается мало-помалу в теплоту, равномерно распределенную при температуре, везде идентичной. В конце, следовательно, не будет ни химических явлений, ни проявления жизни; мир будет все еще существовать, но без движения и, так сказать, мертвым.

Эти следствия должны быть признаны очень сомнительными; мы не можем с какой-либо уверенностью применить к Вселенной, которая не является конечной системой, положение, продемонстрированное, и то не безоговорочно, в резко ограниченном случае конечной системы. Герберт Спенсер, более того, в своей книге «Основные начала» (First Principles) с большой силой выдвигает идею, что даже если бы Вселенная пришла к концу, ничто не позволило бы нам заключить, что, однажды придя в покой, она оставалась бы таковой неопределенно. Мы можем признать, что состояние, в котором мы находимся, началось в конце прежнего эволюционного периода и что конец существующей эры ознаменует начало новой.

Подобно упругому и подвижному объекту, который, брошенный в воздух, достигает постепенно вершины своего пути, затем обладает нулевой скоростью и на мгновение находится в равновесии, а затем падает при касании земли, чтобы отскочить, так и мир должен быть подвержен огромным колебаниям, которые сначала приводят его к максимуму энтропии до момента, когда должно произойти медленное развитие в обратном направлении, возвращающее его к состоянию, с которого он начал. Таким образом, в бесконечности времени жизнь Вселенной продолжается без реальной остановки.

Эта концепция, более того, согласуется со взглядом, который некоторые физики принимают на принцип Карно. Мы увидим, например, что в кинетической теории мы приходим к допущению, что, подождав достаточно долго, мы можем стать свидетелями возвращения различных состояний, через которые прошла масса газа, например, в своей серии превращений.

Если мы останемся в нынешней эре, эволюция имеет фиксированное направление — то, которое ведет к увеличению энтропии; и можно спросить, в любой данной системе, каким физическим проявлениям соответствует это увеличение. Мы отмечаем, что кинетическая, потенциальная, электрическая и химическая формы энергии имеют большую тенденцию превращаться в калорическую энергию. Химическая реакция, например, выделяет энергию; но если реакция не производится при очень специальных условиях, эта энергия немедленно переходит в калорическую форму. Это настолько верно, что химики в настоящее время говорят о теплоте, выделяемой реакциями, вместо того чтобы рассматривать энергию, высвобождаемую в целом.

Во всех этих превращениях полученная калорическая энергия не имеет, с практической точки зрения, той же ценности, с которой она началась. Нельзя, фактически, согласно принципу Карно, превратить ее интегрально в механическую энергию, поскольку теплота, которой обладает тело, может дать работу только при условии, что часть ее падает на тело с более низкой температурой. Таким образом появляется идея, что энергии, которые обмениваются друг с другом и соответствуют равным количествам, не имеют той же качественной ценности. Форма имеет свое значение, и есть люди, которые предпочитают золотой луидор четырем монетам по пять франков. Принцип Карно таким образом привел бы нас к рассмотрению определенной классификации энергий и показал бы нам, что в возможных превращениях эти энергии всегда стремятся к своего рода уменьшению качества — то есть к деградации.

Он таким образом вновь ввел бы элемент дифференциации, для которого кажется очень трудным дать механическое объяснение. Некоторые философы и физики видят в этом факте причину, которая осуждает a priori все попытки, сделанные для того, чтобы дать механическое объяснение принципа Карно.

Правильно, однако, не преувеличивать важность, которую следует приписывать фразе «деградированная энергия». Если теплота не эквивалентна работе, если теплота при 99° не эквивалентна теплоте при 100°, это означает, что мы не можем на практике построить двигатель, который превратил бы всю эту теплоту в работу, или что для того же холодного источника КПД выше, когда температура горячего источника выше; но если бы было возможно, чтобы этот холодный источник сам имел температуру абсолютного нуля, вся теплота вновь появилась бы в форме работы. Рассматриваемый здесь случай — это идеальный и крайний случай, и мы, естественно, не можем реализовать его; но это соображение достаточно, чтобы сделать понятным, что классификация энергий немного произвольна и зависит больше, возможно, от условий, в которых живет человечество, чем от внутренней природы вещей.

Фактически, попытки, которые часто предпринимались для сведения принципа Карно к механике, не дали убедительных результатов. Почти всегда было необходимо вводить в попытку какую-то новую гипотезу, независимую от фундаментальных гипотез обычной механики и эквивалентную, в реальности, одному из постулатов, на которых основано обычное изложение второго закона термодинамики. Гельмгольц, в справедливо знаменитой теории, пытался вписать принцип Карно в принцип наименьшего действия; но трудности, касающиеся механической интерпретации необратимости физических явлений, остаются в силе. Рассматривая вопрос, однако, с точки зрения, на которую встают сторонники кинетических теорий материи, принцип рассматривается в новом аспекте. Гиббс, а затем Больцман и профессор Планк выдвинули некоторые весьма интересные идеи на этот счет. Следуя по пути, который они проложили, мы приходим к рассмотрению принципа как указывающего нам, что данная система стремится к конфигурации, представленной максимальной вероятностью, и, численно, энтропия была бы даже логарифмом этой вероятности. Таким образом, две различные газообразные массы, заключенные в два отдельных сосуда, которые только что были приведены в сообщение, диффундируют одна через другую, и крайне маловероятно, что при их взаимных столкновениях оба вида молекул приняли бы распределение скоростей, которое свело бы их самопроизвольным явлением к начальному состоянию.

Нам пришлось бы ждать очень долго столь необычайного стечения обстоятельств, но, строго говоря, это было бы не невозможно. Принцип был бы только законом вероятности. И все же эта вероятность тем больше, чем значительнее само число молекул. В явлениях, с которыми обычно имеют дело, это число таково, что, практически, вариация энтропии в постоянном смысле принимает, так сказать, характер абсолютной уверенности.

Но могут быть исключительные случаи, где сложность системы становится недостаточной для применения принципа Карно; — как в случае любопытных движений малых частиц, взвешенных в жидкости, которые известны под названием броуновских движений и могут наблюдаться под микроскопом. Агитация здесь действительно кажется, как заметил М. Гуи, производимой и продолжающейся бесконечно, независимо от какой-либо разницы в температуре; и мы, кажется, являемся свидетелями непрерывного движения, в изотермической среде, частиц, которые составляют материю. Возможно, однако, мы находимся уже в условиях, где слишком большая простота распределения молекул лишает принцип его значения.

М. Липпман таким же образом показал, что на кинетической гипотезе возможно построить такие механизмы, что мы можем так осознать молекулярные движения, что из них можно извлечь живую силу (vis viva). Механизмы М. Липпмана не являются, подобно знаменитому аппарату, в свое время придуманному Максвеллом, чисто гипотетическими. Они не предполагают перегородку с отверстием, невозможным для просверливания через материю, где молекулярные пространства были бы больше самого отверстия. Они имеют конечные размеры. Таким образом, М. Липпман рассматривает вазу, полную кислорода при постоянной температуре. Внутри этой вазы помещено маленькое медное кольцо, и все это установлено в магнитном поле. Молекулы кислорода, как мы знаем, магнитны, и при прохождении через внутреннюю часть кольца они производят в этом кольце индуцированный ток. В течение этого времени, это правда, другие молекулы выходят из пространства, заключенного цепью; но два эффекта не уравновешивают друг друга, и результирующий ток поддерживается. Происходит повышение температуры в цепи в соответствии с законом Джоуля; и это явление, при таких условиях, несовместимо с принципом Карно.

Можно — и, как мне кажется, это идея г-на Липпмана — извлечь из его весьма остроумной критики возражение против кинетической теории, если мы признаем абсолютную ценность этого принципа; но можно также предположить, что и здесь мы имеем дело с системой, где предписанные условия уменьшают сложность и, следовательно, делают менее вероятным то, что эволюция всегда происходит в одном и том же направлении.

Как ни посмотри, принцип Карно в подавляющем большинстве случаев служит весьма надежным ориентиром, к которому физики продолжают питать полное доверие.

§ 4. ТЕРМОДИНАМИКА

Для применения двух фундаментальных принципов термодинамики могут быть использованы различные методы, в основном эквивалентные, но различающиеся по степени удобства в зависимости от конкретного случая.

Записывая с помощью двух величин — энергии и энтропии — соотношения, которые аналитически выражают эти два принципа, мы получаем два уравнения для коэффициентов, входящих в данное явление; однако может оказаться проще и нагляднее использовать различные функции этих величин. В мемуаре, некоторые выдержки из которого появились еще в 1869 году, скромный ученый г-н Массье указал, в частности, на замечательную функцию, которую он назвал характеристической функцией и использование которой в определенных случаях упрощает расчеты.

Таким же образом Дж. У. Гиббс в 1875 и 1878 годах, затем Гельмгольц в 1882 году, а во Франции г-н Дюэм начиная с 1886 года опубликовали работы, поначалу плохо понятые, но впоследствии получившие значительную известность, в которых они использовали аналогичные функции под названиями «доступная энергия», «свободная энергия» или «внутренний термодинамический потенциал». Величина, обозначенная таким образом, будучи следствием двух принципов и относящаяся ко всем состояниям системы, оказывается полностью определенной, если известны температура и другие нормальные переменные. Она позволяет нам с помощью зачастую очень простых расчетов установить условия, необходимые и достаточные для поддержания системы в равновесии с внешними телами, находящимися при той же температуре, что и сама система.

Можно надеяться создать таким образом — как специально стремился сделать г-н Дюэм в длинной и замечательной серии работ — своего рода общую механику, которая позволит с точностью решать вопросы статики и определять все условия равновесия системы, включая калорические свойства. Так, обычная статика учит нас, что жидкость со своим паром над ней образует систему в равновесии, если мы приложим к обеим фазам давление, зависящее только от температуры. Термодинамика дополнительно предоставит нам выражение для теплоты испарения и удельных теплоемкостей двух насыщенных флюидов.

Это новое исследование дало нам также ценнейшие сведения о сжимаемых флюидах и теории упругого равновесия. В сочетании с определенными гипотезами об электрических или магнитных явлениях оно дает связное целое, из которого можно вывести условия электрического или магнитного равновесия; оно также проливает яркий свет на калорические законы электролитических явлений.

Но самым неоспоримым триумфом этой термодинамической статики является открытие законов, регулирующих изменения физического состояния или химического состава. Автором этого огромного прогресса был Дж. У. Гиббс. Его ныне знаменитый мемуар «О равновесии гетерогенных веществ», затерянный в 1876 году в журнале с ограниченным в то время кругом читателей и довольно трудный для чтения, казалось, содержал лишь алгебраические теоремы, с трудом применимые к реальности. Известно, что Гельмгольц несколькими годами позже независимо преуспел во внедрении термодинамики в область химии благодаря своей концепции разделения энергии на свободную и связанную: первая способна претерпевать любые превращения и, в частности, превращаться во внешнюю работу; вторая же, напротив, связана и проявляется лишь выделением тепла. Когда мы измеряем химическую энергию, мы обычно позволяем ей полностью перейти в калорическую форму; но в действительности она сама включает обе части, и именно изменение свободной энергии, а не изменение полной энергии, измеряемое интегральным выделением тепла, определяет знак, указывающий направление, в котором протекают реакции.

Но если принцип, сформулированный таким образом Гельмгольцем как следствие законов термодинамики, в своей основе идентичен принципу, открытому Гиббсом, то он более труден в применении и представлен в более таинственном аспекте. Только когда г-н Ван-дер-Ваальс извлек на свет мемуар Гиббса, а многочисленные физики и химики, большинство из которых были голландцами — профессор Вант-Гофф, Бакхёйс Розебом и другие, — использовали правила, изложенные в этом мемуаре, для обсуждения самых сложных химических реакций, масштаб новых законов был полностью осознан.

Главное правило Гиббса — это то, которое в наши дни столь знаменито под названием «правило фаз». Мы знаем, что фазами называют гомогенные вещества, на которые разделена система; так, карбонат кальция, известь и углекислый газ являются тремя фазами системы, состоящей из исландского шпата, частично диссоциированного на известь и углекислый газ. Число фаз в сумме с числом независимых компонентов — то есть тел, масса которых остается произвольной согласно химическим формулам веществ, вступающих в реакцию, — определяет общую форму закона равновесия системы; иными словами, число величин, которые своими изменениями (температуры и давления) могли бы изменить ее равновесие путем изменения состава фаз.

Некоторые авторы, в частности г-н Раво, действительно дали очень простые доказательства этого закона, не основанные на термодинамике; но термодинамика, которая привела к его открытию, продолжает придавать ему истинный масштаб. Более того, было бы недостаточно просто количественно определить те законы, общую форму которых она выявляет. Мы должны, если хотим глубже вникнуть в детали, конкретизировать гипотезу и допустить, например, вместе с Гиббсом, что мы имеем дело с идеальными газами; тогда, благодаря термодинамике, мы сможем создать полную теорию диссоциации, которая приводит к формулам, полностью согласующимся с численными результатами эксперимента. Мы можем таким образом внимательно следить за всеми вопросами, касающимися смещений равновесия, и найти соотношение первостепенной важности между массами тел, которые реагируют, чтобы составить систему в равновесии.

Построенная таким образом статика представляет собой в наши дни важное сооружение, которое отныне следует причислить к историческим памятникам. Некоторые теоретики даже хотят пойти на шаг дальше. Они попытались начать с помощью тех же средств более полное изучение тех систем, состояние которых меняется от одного момента к другому. Это, кроме того, исследование, необходимое для удовлетворительного завершения изучения самого равновесия; ибо без него существовали бы серьезные сомнения относительно условий устойчивости, и только оно может придать истинный смысл вопросам, относящимся к смещениям равновесия.

Проблемы, с которыми мы таким образом сталкиваемся, необычайно сложны. Г-н Дюэм дал нам много прекрасных примеров плодотворности этого метода; но если термодинамическую статику можно считать окончательно основанной, нельзя сказать, что общая динамика систем, рассматриваемая как изучение тепловых движений и изменений, уже столь же прочно установлена.

§ 5. АТОМИЗМ

Может показаться в высшей степени парадоксальным, что в главе, посвященной общим взглядам на принципы физики, вводится несколько слов об атомных теориях материи.

Очень часто, на самом деле, то, что называют физикой принципов, противопоставляется гипотезам о строении материи, в частности атомным теориям. Я уже говорил, что, отказываясь от исследования непостижимой тайны строения Вселенной, некоторые физики полагают, что могут найти в определенных общих принципах достаточные ориентиры, чтобы вести их через физический мир. Но я также говорил, изучая историю этих принципов, что если сегодня они считаются экспериментальными истинами, независимыми от всех теорий, относящихся к материи, то на самом деле почти все они были открыты учеными, которые опирались на молекулярные гипотезы: и возникает вопрос, является ли это простой случайностью или же эта случайность не предначертана ли высшими причинами.

В очень глубокой работе, появившейся несколько лет назад под названием «Критический очерк гипотезы атомов», г-н Аннекен, философ, являющийся также эрудированным ученым, исследовал роль атомизма в истории науки. Он отмечает, что атомизм и наука родились в Греции из одной и той же проблемы и что в современную эпоху возрождение одного было тесно связано с возрождением другой. Он также показывает путем очень тщательного анализа, что атомная гипотеза существенна для оптики Френеля и Коши; что она проникает в изучение тепла; и что в своих общих чертах она способствовала рождению современной химии и связана со всем ее прогрессом. Он заключает, что она является, в некотором роде, душой нашего познания Природы и что современные теории в этом пункте согласуются с историей: ибо эти теории освящают преобладание этой гипотезы в области науки.

Если бы г-н Аннекен не был преждевременно унесен в расцвете своего мощного таланта, он мог бы добавить еще одну главу к своей превосходной книге. Он стал бы свидетелем поразительного расцвета атомистических идей, сопровождаемого, правда, значительными изменениями в том, как следует рассматривать атом, поскольку самые последние теории превращают материальные атомы в центры, состоящие из атомов электричества. С другой стороны, он нашел бы во вспышке этих новых доктрин еще одно доказательство в поддержку своей идеи о том, что наука неразрывно связана с атомизмом.

С философской точки зрения г-н Аннекен, исследуя причины, которые могли породить эти связи, приходит к мысли, что они неизбежно проистекают из строения нашего познания или, возможно, из строения самой Природы. Более того, это происхождение, двойственное по видимости, является единым в своей основе. Наш разум не мог бы, на самом деле, отделиться и выйти из самого себя, чтобы постичь реальность и абсолютное в Природе. Согласно идее Декарта, судьба нашего разума — лишь схватывать и понимать то, что исходит из него самого.

Таким образом, атомизм, который, возможно, является лишь видимостью, содержащей даже некоторые противоречия, все же является хорошо обоснованной видимостью, поскольку он соответствует законам нашего разума; и эта гипотеза является, в некотором смысле, необходимой.

Мы можем оспаривать выводы г-на Аннекена, но никто не откажется признать, как и он, что атомные теории занимают преобладающую часть в доктринах физики; и положение, которое они таким образом завоевали, дает им, в некотором роде, право утверждать, что они опираются на реальный принцип. Именно для того, чтобы признать это право, некоторые физики — например, г-н Ланжевен — просят, чтобы атомы были возведены из ранга гипотез в ранг принципов. Этим они хотят сказать, что атомистические идеи, навязанные нам почти обязательной индукцией, основанной на весьма точных экспериментах, позволяют нам координировать значительное количество фактов, строить очень общие синтезы и предвидеть большое число явлений.

Важно, кроме того, хорошо понимать, что атомизм не обязательно выдвигает гипотезу о центрах притяжения, действующих на расстоянии, и его не следует путать с молекулярной физикой, которая, с другой стороны, претерпела очень серьезные неудачи. Молекулярная физика, пользовавшаяся большим успехом лет пятьдесят назад, приводит к столь сложным представлениям и зачастую столь неопределенным решениям, что самые смелые устали ее поддерживать, и она впала в некоторое недоверие. Она опиралась на фундаментальные принципы механики, примененные к молекулярным действиям; и это было, без сомнения, достаточно законным расширением, поскольку механика сама по себе является лишь экспериментальной наукой, и ее принципы, установленные для движений материи, взятой в целом, не должны применяться вне области, которая им принадлежит. Атомизм, на самом деле, стремится все больше и больше, в современных теориях, подражать принципу сохранения энергии или принципу энтропии, освобождаться от искусственных связей, которые привязывали его к механике, и выдвигаться как независимый принцип.

Атомистические идеи также претерпели эволюцию, и эта медленная эволюция значительно ускорилась под влиянием современных открытий. Они восходят к самой глубокой древности, и чтобы проследить их развитие, нам пришлось бы написать историю человеческой мысли, которую они всегда сопровождали со времен Левкиппа, Демокрита, Эпикура и Лукреция. Первые наблюдатели, заметившие, что объем тела может уменьшаться при сжатии или охлаждении или увеличиваться при нагревании, и видевшие, как растворимое твердое тело полностью смешивается с водой, которая его растворяла, должны были быть вынуждены предположить, что материя не распределена непрерывно по всему пространству, которое она, казалось, занимает. Они были таким образом приведены к рассмотрению ее как прерывистой и к допущению, что вещество, имеющее одинаковый состав и одинаковые свойства во всех своих частях — одним словом, идеально гомогенное, — перестает представлять эту гомогенность при рассмотрении в достаточно малом объеме.

Современным экспериментаторам удалось с помощью прямых экспериментов доказать этот гетерогенный характер материи, взятой в малой массе. Так, например, поверхностное натяжение, которое постоянно для одной и той же жидкости при данной температуре, больше не имеет того же значения, когда толщина слоя жидкости становится чрезвычайно малой. Ньютон заметил еще в свое время, что темная зона начинает формироваться на мыльном пузыре в тот момент, когда он становится настолько тонким, что должен лопнуть. Профессор Рейнольд и сэр Артур Рюкер показали, что эта зона больше не является точно сферической; и из этого мы должны заключить, что поверхностное натяжение, постоянное для всех толщин выше определенного предела, начинает варьироваться, когда толщина падает ниже критического значения, которое эти авторы оценивают, на оптических основаниях, примерно в пятьдесят миллионных долей миллиметра.

Из экспериментов по капиллярности профессор Квинке получил аналогичные результаты в отношении слоев твердых тел. Но не только капиллярные свойства позволяют выявить эту характеристику. Все свойства тела изменяются, когда оно взято в малой массе; г-н Меслен доказывает это весьма остроумным способом в отношении оптических свойств, а г-н Винсент — в отношении электрической проводимости. Г-н Уллевиг, который в главе своего превосходного труда «Из лаборатории на завод» очень ясно изложил наиболее интересные соображения об атомных гипотезах, недавно продемонстрировал, что медь и серебро перестают соединяться с йодом, как только они присутствуют в толщине менее тридцати миллионных долей миллиметра. Этот же размер, по мнению г-на Винера, имеют наименьшие толщины, которые возможно нанести на стекло. Эти слои настолько тонки, что их невозможно заметить, но их присутствие обнаруживается изменением свойств света, отраженного ими.

Таким образом, ниже пятидесяти — тридцати миллионных долей миллиметра свойства материи зависят от ее толщины. Там, несомненно, встречается лишь несколько молекул, и можно заключить, как следствие, что прерывистые элементы тел — то есть молекулы — имеют линейные размеры порядка величины миллионной доли миллиметра. Соображения, касающиеся более сложных явлений, например явлений электричества при контакте, а также кинетическая теория газов, приводят нас к тому же заключению.

Идея прерывистости материи навязывается нам по многим другим причинам. Вся современная химия основана на этом принципе; и законы, подобные закону кратных отношений, вводят очевидную прерывистость, аналогии которой мы находим в законе электролиза. Элементы тел, которые мы таким образом призваны рассматривать, могли бы, во всяком случае для твердых тел, считаться неподвижными; но эта неподвижность не могла бы объяснить явления тепла, и, поскольку она совершенно недопустима для газов, кажется очень маловероятным, что она может абсолютно иметь место в каком-либо состоянии. Мы таким образом приведены к предположению, что эти элементы одушевлены очень сложными движениями, каждое из которых происходит по замкнутым траекториям, в которых малейшие изменения температуры или давления вызывают модификации.

Атомистическая гипотеза оказывается удивительно плодотворной в изучении явлений, происходящих в газах, и здесь взаимная независимость частиц делает вопрос относительно более простым и, возможно, позволяет более уверенно распространить принципы механики на движения молекул.

Кинетическая теория газов может указать на несомненные успехи; и идея Даниила Бернулли, который еще в 1738 году рассматривал газообразную массу как состоящую из значительного числа молекул, одушевленных быстрыми поступательными движениями, была приведена в форму, достаточно точную для математического анализа, и мы таким образом оказались в состоянии построить действительно прочный фундамент. Сразу станет понятно, исходя из этой гипотезы, что давление является равнодействующей ударов молекул о стенки сосуда, и мы сразу приходим к доказательству того, что закон Мариотта является естественным следствием этого происхождения давления; поскольку, если объем, занимаемый определенным числом молекул, удваивается, число ударов в секунду на каждый квадратный сантиметр стенок становится вдвое меньше. Но если мы попытаемся продвинуться дальше, мы окажемся перед лицом серьезной трудности. Невозможно мысленно проследить за каждой из многих отдельных молекул, которые составляют даже очень ограниченную массу газа. Путь, проходимый этой молекулой, может быть в каждое мгновение изменен случайностью столкновения с другой или ударом, который может заставить ее отскочить в другом направлении.

Трудность была бы неразрешимой, если бы случайность не имела своих собственных законов. Именно Максвелл первым подумал о введении в кинетическую теорию исчисления вероятностей. Уиллард Гиббс и Больцман позже развили эту идею и основали статистический метод, который, возможно, не дает абсолютной уверенности, но который, безусловно, является весьма интересным и любопытным. Молекулы группируются таким образом, что те, которые принадлежат к одной группе, могут считаться имеющими одинаковое состояние движения; затем проводится исследование числа молекул в каждой группе и того, каковы изменения этого числа от одного момента к другому. Таким образом, зачастую возможно определить роль, которую различные группы играют в общих свойствах системы и в явлениях, которые могут происходить.

Такой метод, аналогичный тому, который используют статистики для отслеживания социальных явлений в популяции, тем более законен, чем больше число индивидов, учитываемых в средних значениях; теперь число молекул, содержащихся в ограниченном пространстве — например, в кубическом сантиметре, взятом в нормальных условиях, — таково, что никакая популяция никогда не могла бы достичь столь высокой цифры. Все соображения, те, которые мы указали, а также другие, которые могли бы быть приведены (например, недавние исследования г-на Спринга о пределе видимости флуоресценции), дают этот результат: что в этом пространстве находится около двадцати тысяч миллионов молекул. Каждая из них должна получать в пространстве миллиметра около десяти тысяч ударов и быть десять тысяч раз сбита со своего курса. Свободный пробег молекулы тогда очень мал, но он может быть значительно увеличен путем уменьшения их числа. Тейт и Дьюар вычислили, что в хорошем современном вакууме длина свободного пробега оставшихся молекул, не удаленных воздушным насосом, легко достигает нескольких сантиметров.

Развивая эту теорию, мы приходим к рассмотрению того, что для данной температуры каждая молекула (и даже каждая отдельная частица, атом или ион), которая принимает участие в движении, имеет в среднем одинаковую кинетическую энергию в каждом теле и что эта энергия пропорциональна абсолютной температуре; так что она представляется этой температурой, умноженной на постоянную величину, которая является универсальной константой.

Этот результат не является гипотезой, а представляет собой очень большую вероятность. Эта вероятность возрастает, когда отмечается, что то же значение константы встречается при изучении самых разнообразных явлений; например, в некоторых теориях излучения. Зная массу и энергию молекулы, легко вычислить ее скорость; и мы находим, что средняя скорость составляет около 400 метров в секунду для углекислого газа, 500 для азота и 1850 для водорода при 0° C и при обычном давлении. У меня будет случай позже говорить о гораздо более значительных скоростях, чем эти, как одушевляющих другие частицы.

Кинетическая теория позволила объяснить диффузию газов и вычислить различные обстоятельства этого явления. Она позволила нам показать, как это сделал г-н Бриллюэн, что коэффициент диффузии двух газов не зависит от пропорции газов в смеси; она дает очень яркое изображение явлений вязкости и проводимости; и она приводит нас к мысли, что коэффициенты трения и проводимости не зависят от плотности; в то время как все эти предвидения были подтверждены экспериментом. Она также вторглась в оптику; и, опираясь на принцип Доплера, профессор Майкельсон преуспел в получении из нее объяснения длины, представляемой спектральными лучами даже самых разреженных газов.

Но как бы интересны ни были эти результаты, их было бы недостаточно, чтобы преодолеть неприязнь некоторых физиков к спекуляциям, которые, несмотря на внушительный математический багаж, казались им слишком гипотетичными. Теория, кроме того, останавливалась на молекуле и, казалось, не предлагала никакой идеи, которая могла бы привести к открытию ключа к явлениям, где молекулы оказывают взаимное влияние друг на друга. Кинетическая гипотеза, следовательно, оставалась в некоторой немилости у большого числа лиц, особенно во Франции, до последних нескольких лет, когда все недавние открытия проводимости газов и новых излучений пришли, чтобы обеспечить ей новое и пышное цветение. Можно сказать, что атомистический синтез, еще вчера столь порицаемый, сегодня торжествует.

Элементы, которые входят в раннюю кинетическую теорию и которые, чтобы избежать путаницы, должны всегда обозначаться названием молекул, не были, по правде говоря, в глазах химиков конечным пределом делимости материи. Хорошо известно, что для них, за исключением некоторых особых тел, таких как пары ртути и аргон, молекула включает несколько атомов и что в сложных телах число этих атомов может быть даже довольно значительным. Но физикам редко приходилось прибегать к рассмотрению этих атомов. Они говорили о них, чтобы объяснить некоторые особенности распространения звука и сформулировать законы, относящиеся к удельным теплоемкостям; но, в общем, они останавливались на рассмотрении молекулы.

Современные теории продвигают деление гораздо дальше. Я не буду останавливаться сейчас на этих теориях, поскольку, чтобы их хорошо понять, необходимо изучить много других фактов. Но чтобы избежать всякой путаницы, остается понятым, что, вопреки, без сомнения, этимологии, но в соответствии с нынешним обычаем, я буду продолжать в том, что следует, называть атомами те частицы материи, о которых до сих пор шла речь; эти атомы сами по себе являются, согласно современным взглядам, необычайно сложными сооружениями, сформированными из элементов, природу которых у нас будет случай указать позже.

ГЛАВА IV

РАЗЛИЧНЫЕ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИИ

§ 1. СТАТИКА ФЛЮИДОВ

Разделение тел на газообразные, жидкие и твердые, а также различие, установленное для одного и того же вещества между тремя состояниями, сохраняют большое значение для приложений и использования в повседневной жизни, но давно утратили свою абсолютную ценность с научной точки зрения.

Что касается, в частности, жидкого и газообразного состояний, то уже устаревшие исследования Эндрюса подтвердили идеи Каньяра де ла Тура и установили непрерывность двух состояний. Таким образом, была создана группа физических исследований того, что можно назвать статикой флюидов, в которой мы изучаем соотношения, существующие между давлением, объемом и температурой тел, и в которую включены под термином «флюид» как газы, так и жидкости.

Эти исследования заслуживают внимания своим интересом и общностью результатов, к которым они привели. Они также дают замечательный пример счастливых эффектов, которые могут быть получены комбинированным использованием различных методов исследования, применяемых при изучении области природы. Термодинамика, на самом деле, позволила нам получить численные соотношения между различными коэффициентами, а атомные гипотезы привели к установлению одного капитального соотношения — характеристического уравнения флюидов; в то время как, с другой стороны, эксперимент, в котором был использован прогресс, достигнутый в искусстве измерения, предоставил ценнейшие сведения обо всех законах сжимаемости и расширения.

Классическая работа Эндрюса не была очень широкой. Эндрюс не выходил далеко за пределы давлений, близких к нормальным, и обычных температур. В последние годы несколько очень интересных и своеобразных случаев были изучены г-нами Кальете, Матиасом, Бателли, Ледюком, П. Шаппюи и другими физиками. Сэр У. Рамзай и г-н С. Юнг обнародовали изотермические диаграммы некоторого числа жидких тел при обычной температуре. Они смогли таким образом, оставаясь в несколько ограниченных пределах температуры и давления, затронуть самые важные вопросы, поскольку оказались в области кривой насыщения и критической точки.

Но наиболее полный и систематический корпус исследований принадлежит г-ну Амага, который предпринял изучение некоторого числа тел, одних жидких, а других газообразных, расширяя область своих экспериментов так, чтобы охватить различные фазы явлений и сравнить между собой не только результаты, относящиеся к одним и тем же телам, но и те, которые касаются различных тел, оказывающихся в одних и тех же условиях температуры и давления, но в очень разных условиях в отношении их критических точек.

С экспериментальной точки зрения г-н Амага смог с чрезвычайным мастерством преодолеть самые серьезные трудности. Он сумел измерить с точностью давления, достигающие 3000 атмосфер, а также очень малые объемы, занимаемые тогда рассматриваемой массой флюида. Это последнее измерение, которое требует многочисленных поправок, является самой деликатной частью операции. Эти исследования имели дело с некоторым числом различных тел. Те, что относятся к углекислому газу и этилену, охватывают критическую точку. Другие, например, по водороду и азоту, очень обширны. Третьи, опять же, такие как изучение сжимаемости воды, имеют особый интерес из-за своеобразных свойств этого вещества. Г-н Амага, путем очень краткого обсуждения экспериментов, смог также окончательно установить законы сжимаемости и расширения флюидов при постоянном давлении и определить значение различных коэффициентов, а также их вариации. Должно быть возможным свести все эти результаты в единую формулу, представляющую объем, температуру и давление. Рэнкин и впоследствии Рекнагель, а затем Ирн ранее предлагали формулы такого рода; но самой знаменитой, той, которая первой показалась содержащей удовлетворительным образом все факты, которые выявили эксперименты, и привела к созданию многих других, было знаменитое уравнение Ван-дер-Ваальса.

Профессор Ван-дер-Ваальс пришел к этому соотношению, опираясь на соображения, выведенные из кинетической теории газов. Если мы останемся при простой идее, лежащей в основе этой теории, мы сразу докажем, что газ должен подчиняться законам Мариотта и Гей-Люссака, так что характеристическое уравнение было бы получено утверждением, что произведение числа, которое является мерой объема, на то, которое является мерой давления, равно постоянному коэффициенту, умноженному на степень абсолютной температуры. Но чтобы прийти к этому результату, мы пренебрегаем двумя важными факторами.

Мы не принимаем во внимание, на самом деле, притяжение, которое молекулы должны оказывать друг на друга. Теперь это притяжение, которое никогда не бывает абсолютно несуществующим, может стать значительным, когда молекулы сближаются; то есть, когда сжатая газообразная масса занимает все более ограниченный объем. С другой стороны, мы уподобляем молекулы, в качестве первого приближения, материальным точкам без размеров; при оценке пути, проходимого каждой молекулой, не принимается во внимание тот факт, что в момент удара их центры тяжести все еще разделены расстоянием, равным удвоенному радиусу молекулы.

Г-н Ван-дер-Ваальс искал модификации, которые должны быть введены в простое характеристическое уравнение, чтобы приблизить его к реальности. Он распространяет на случай газов соображения, с помощью которых Лаплас в своей знаменитой теории капиллярности свел эффект молекулярного притяжения к перпендикулярному давлению, оказываемому на поверхность жидкости. Это приводит его к добавлению к внешнему давлению давления, обусловленного взаимными притяжениями газообразных частиц. С другой стороны, когда мы приписываем конечные размеры этим частицам, мы должны дать более высокое значение числу ударов, произведенных в данное время, поскольку эффект этих размеров заключается в уменьшении среднего пути, который они проходят за время, протекающее между двумя последовательными ударами.

Расчет, проведенный таким образом, приводит к тому, что мы добавляем к давлению в простом уравнении член, который обозначается как внутреннее давление и который является частным от деления константы на квадрат объема; также к тому, что мы вычитаем из объема константу, которая является учетверенным общим и неизменным объемом, который занимали бы газообразные молекулы, если бы они касались друг друга.

Эксперименты довольно хорошо согласуются с формулой Ван-дер-Ваальса, но значительные расхождения возникают, когда мы расширяем ее пределы, особенно когда рассматриваются давления в довольно широком интервале; так что были предложены другие и довольно более сложные формулы, на которых нет преимущества останавливаться, и которые в определенных случаях лучше представляют факты.

Но самым замечательным результатом расчетов г-на Ван-дер-Ваальса является открытие соответствующих состояний. Долгое время физики говорили о телах, взятых в сравнимом состоянии. Дальтон, например, указывал, что жидкости имеют давления пара, равные температурам, одинаково удаленным от их точки кипения; но что если в этом частном свойстве жидкости были сравнимы при этих условиях температуры, то в отношении других свойств параллелизм больше не подтверждался. Никакое общее правило не было найдено, пока г-н Ван-дер-Ваальс первым не сформулировал первичный закон, а именно: если давление, объем и температура оцениваются путем принятия в качестве единиц критических величин, константы, специфичные для каждого тела, исчезают в характеристическом уравнении, которое таким образом становится одинаковым для всех флюидов.

Слова «соответствующие состояния» таким образом приобретают совершенно точное значение. Соответствующие состояния — это те, для которых численные значения давления, объема и температуры, выраженные путем принятия в качестве единиц значений, соответствующих критической точке, равны; и в соответствующих состояниях любые два флюида имеют точно такие же свойства.

Г-н Натансон, а впоследствии П. Кюри и г-н Меслен, показали с помощью различных соображений, что к тому же результату можно прийти путем выбора единиц, которые соответствуют любым соответствующим состояниям; также было показано, что теорема соответствующих состояний никоим образом не подразумевает точность формулы Ван-дер-Ваальса. В действительности это просто связано с тем фактом, что характеристическое уравнение содержит только три константы.

Философское значение и практический интерес открытия тем не менее остаются значительными. Как и следовало ожидать, множество экспериментаторов искали, подтверждаются ли эти последствия должным образом в реальности. Г-н Амага, в частности, использовал для этой цели самый оригинальный и простой метод. Он замечает, что во всей своей общности закон может быть переведен так: если изотермические диаграммы двух веществ нарисованы в одном масштабе, принимая за единицу объема и давления значения критических констант, две диаграммы должны совпадать; то есть их наложение должно представлять аспект одной диаграммы, относящейся к одному веществу. Далее, если мы обладаем диаграммами двух тел, нарисованными в любых масштабах и относимыми к любым единицам вообще, поскольку изменения единиц означают изменения в масштабе осей, мы должны сделать одну из диаграмм подобной другой путем удлинения или укорачивания ее в направлении одной из осей. Г-н Амага затем фотографирует две изотермические диаграммы, оставляя одну неподвижной, но располагая другую так, чтобы она могла свободно вращаться вокруг каждой оси координат; и путем проецирования с помощью волшебного фонаря второй на первую он приходит в определенных случаях к почти полному совпадению.

Это механическое средство доказательства таким образом избавляет от трудоемких расчетов, но его чувствительность неравномерно распределена по различным областям диаграммы. Г-н Раво указал на столь же простой способ проверки закона, заметив, что если логарифмы давления и объема взяты в качестве координат, координаты двух соответствующих точек различаются на две постоянные величины, и соответствующие кривые идентичны.

Из этих сравнений и из других важных исследований, среди которых следует особо упомянуть исследования г-на С. Юнга и г-на Матиаса, следует, что законы соответствующих состояний не имеют, к сожалению, той степени общности, которую мы сначала приписывали им, но что они удовлетворительны при применении к определенным группам тел.

Если при изучении статики простого флюида экспериментальные результаты уже сложны, мы должны ожидать гораздо больших трудностей, когда мы подходим к работе со смесями; все же проблема была затронута, и многие пункты уже прояснены.

Смешанные флюиды могут прежде всего рассматриваться как состоящие из большого числа неизменных частиц. В этом особенно простом случае г-н Ван-дер-Ваальс установил характеристическое уравнение смесей, которое основано на механических соображениях. Различные проверки этой формулы были осуществлены, и она, в частности, была объектом очень важных замечаний г-на Даниэля Бертело.

Интересно отметить, что термодинамика кажется бессильной определить это уравнение, ибо она не беспокоится о природе тел, подчиняющихся ее законам; но, с другой стороны, она вмешивается, чтобы определить свойства сосуществующих фаз. Если мы исследуем условия равновесия смеси, которая не подвергается внешним силам, будет продемонстрировано, что распределение должно вернуться к сопоставлению гомогенных фаз; в данном объеме материя должна так расположиться, чтобы общая сумма свободной энергии имела минимальное значение. Таким образом, чтобы прояснить все вопросы, относящиеся к числу и качествам фаз, на которые разделяется вещество, мы приведены к рассмотрению геометрической поверхности, которая для данной температуры представляет свободную энергию.

Я не в состоянии войти здесь в детали вопросов, связанных с теориями Гиббса, которые были объектом многочисленных теоретических исследований, а также серии, все более и более обильной, экспериментальных исследований. Г-н Дюэм, в частности, опубликовал на эту тему мемуары высочайшей важности, и большое число экспериментаторов, в основном ученых, работающих в физической лаборатории Лейдена под руководством директора, г-на Камерлинг-Оннеса, стремились проверить предвидения теории.

Мы немного менее продвинуты в отношении аномальных веществ; то есть тех, которые состоят из молекул, частично простых и частично сложных, и либо диссоциированных, либо ассоциированных. Эти случаи должны естественно регулироваться очень сложными законами. Недавние исследования г-нов Ван-дер-Ваальса, Алексеева, Ротмунда, Кюнена, Лефельда и др. проливают, однако, некоторый свет на вопрос.

Ежедневно становящиеся более многочисленными приложения законов соответствующих состояний сделали высоко важным определение критических констант, которые позволяют определить эти состояния. В случае гомогенных тел критические элементы имеют простой, ясный и точный смысл; критическая температура — это температура единственной изотермической линии, которая представляет точку перегиба при горизонтальной касательной; критическое давление и критический объем — это две координаты этой точки перегиба.

Три критические константы могут быть определены, как показали г-н С. Юнг и г-н Амага, прямым методом, основанным на рассмотрении насыщенных состояний. Результаты, возможно, более точные, могут быть также получены, если придерживаться двух констант или даже одной — температуры, например, — путем использования различных специальных методов. Многие другие, г-ны Кальете и Колардо, г-н Юнг, г-н Ж. Шаппюи и др., действовали таким образом.

Случай смесей гораздо более сложен. Бинарная смесь имеет критическое пространство вместо критической точки. Это пространство заключено между двумя крайними температурами, нижняя соответствует тому, что называется точкой складки, высшая — тому, что мы называем точкой контакта смеси. Между этими двумя температурами изотермическое сжатие дает количество жидкости, которое увеличивается, затем достигает максимума, уменьшается и исчезает. Это явление ретроградной конденсации. Мы можем сказать, что свойства критической точки гомогенного вещества, в некотором роде, разделены, когда речь идет о бинарной смеси, между двумя упомянутыми точками.

Расчет позволил г-ну Ван-дер-Ваальсу, путем применения его кинетических теорий, и г-ну Дюэму, с помощью термодинамики, предвидеть большинство результатов, которые были с тех пор подтверждены экспериментом. Все эти факты были восхитительно изложены и систематически скоординированы г-ном Матиасом, который своими собственными исследованиями, кроме того, внес вклады высочайшей ценности в изучение вопросов, касающихся непрерывности жидкого и газообразного состояний.

Дальнейшее знание критических элементов позволило законам соответствующих состояний быть более внимательно изученными в случае гомогенных веществ. Оно показало, что, как я уже говорил, тела должны быть расположены в группы, и этот факт ясно доказывает, что свойства данного флюида не определяются только его критическими константами и что необходимо добавить к ним некоторые другие специфические параметры; г-н Матиас и г-н Д. Бертело указали некоторые, которые, кажется, играют значительную роль.

Из этого следует также, что характеристическое уравнение флюида не может еще считаться идеально известным. Ни уравнение Ван-дер-Ваальса, ни более сложные формулы, которые были предложены различными авторами, не находятся в полном соответствии с реальностью. Мы можем думать, что исследования такого рода будут успешными только в том случае, если внимание будет сосредоточено не только на явлениях сжимаемости и расширения, но также на калориметрических свойствах тел. Термодинамика действительно устанавливает соотношения между этими свойствами и другими константами, но не позволяет предвидеть все.

Некоторые физики осуществили очень интересные калориметрические измерения, либо, как г-н Перо, чтобы проверить формулу Клапейрона, касающуюся теплоты испарения, либо чтобы установить значения удельных теплоемкостей и их вариации, когда температура или давление случаются меняться. Г-н Матиас даже преуспел в полном определении удельных теплоемкостей сжиженных газов и их насыщенных паров, а также теплоты внутреннего и внешнего испарения.

§ 2. СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ И СВОЙСТВА ТЕЛ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Научные преимущества всех этих исследований были велики, и, как почти всегда случается, практические последствия, извлеченные из них, также были весьма важными. Именно благодаря более полному знанию общих свойств флюидов был достигнут огромный прогресс в последние несколько лет в методах сжижения газов.

С теоретической точки зрения новые процессы сжижения могут быть классифицированы в две категории. Машина Линде и те, что напоминают ее, используют, как известно, расширение без какого-либо заметного производства внешней работы. Это расширение, тем не менее, вызывает падение температуры, потому что газ в эксперименте не является идеальным газом, и, с помощью остроумного процесса, произведенные охлаждения делаются кумулятивными.

Некоторые физики предложили использовать метод, при котором сжижение должно быть получено путем расширения с рекуперируемой внешней работой. Этот метод, предложенный еще в 1860 году Сименсом, предложил бы значительные преимущества. Теоретически сжижение было бы более быстрым и полученным гораздо более экономично; но, к сожалению, в эксперименте встречаются серьезные препятствия, особенно из-за трудности получения подходящей смазки при сильном холоде для тех частей машины, которые должны быть в движении, если аппарат должен работать.

Г-н Клод недавно сделал большой прогресс в этом пункте путем использования, во время работы машины, эфира нефти, который является незамерзающим и хорошей смазкой для движущихся частей. Когда желаемая область холода достигнута, используется сам воздух, который смачивает металлы, но не избегает полностью трения; так что результаты остались бы лишь средними, если бы этот остроумный физик не разработал новое улучшение, которое имеет некоторую аналогию с перегревом пара в паровых двигателях. Он слегка варьирует начальную температуру сжатого воздуха на грани сжижения, чтобы избежать зоны глубоких возмущений в свойствах флюидов, что сделало бы работу расширения очень слабой, а произведенный холод, следовательно, незначительным. Это улучшение, простое, как оно есть по видимости, представляет несколько других преимуществ, которые немедленно утраивают выход.

Специальной целью г-на Клода было получение кислорода практическим образом путем фактической дистилляции жидкого воздуха. Поскольку азот кипит при -194°, а кислород при -180,5° C, если жидкий воздух испаряется, азот улетучивается, особенно в начале испарения, в то время как кислород концентрируется в остаточной жидкости, которая в конечном итоге состоит из чистого кислорода, в то время как в то же время температура поднимается до точки кипения (-180,5° C) кислорода. Но жидкий воздух дорогостоящ, и если бы довольствовались его испарением с целью сбора части кислорода в остатке, процесс имел бы очень плохой результат с коммерческой точки зрения. Еще в 1892 году г-н Паркинсон думал об улучшении выхода путем восстановления холода, произведенного жидким воздухом во время его испарения; но неправильная идея, которая, кажется, возникла из некоторых экспериментов Дьюара, — идея, что явление сжижения воздуха не было бы, из-за некоторых особенностей, точной противоположностью испарения, — привела к использованию очень несовершенных аппаратов. Г-н Клод, однако, путем использования метода, который он называет методом обращения, получает полную ректификацию необычайно простым образом и при чрезвычайно выгодных экономических условиях. Аппаратура, удивительно уменьшенных размеров, но большой эффективности, сейчас в ежедневной работе, которая легко позволяет получить более тысячи кубических метров кислорода при скорости, на лошадиную силу, более кубического метра в час.

Именно в Англии, благодаря мастерству сэра Джеймса Дьюара и его учеников — благодаря также, надо сказать, щедрости Королевского института, который посвятил значительные суммы этим дорогостоящим экспериментам, — были осуществлены наиболее многочисленные и систематические исследования по производству сильного холода. Я отмечу здесь только более важные результаты, особенно те, что относятся к свойствам тел при низких температурах.

Их электрические свойства, в частности, претерпевают некоторые интересные модификации. Порядок, который металлы принимают в отношении проводимости, больше не тот же, что при обычных температурах. Так, при -200° C медь является лучшим проводником, чем серебро. Сопротивление уменьшается с температурой, и, вплоть до примерно -200°, это уменьшение почти линейно, и казалось бы, что сопротивление стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю. Но после -200° рисунок кривых меняется, и легко предвидеть, что при абсолютном нуле удельные сопротивления всех металлов все еще имели бы, вопреки тому, что предполагалось ранее, заметное значение. Затвердевшие электролиты, которые при температурах далеко ниже их точки плавления все еще сохраняют очень заметную проводимость, становятся, напротив, идеальными изоляторами при низких температурах. Их диэлектрические константы принимают относительно высокие значения. Г-ны Кюри и Компан, которые изучали этот вопрос со своей собственной точки зрения, отметили, кроме того, что удельная индуктивная емкость значительно меняется с температурой.

Таким же образом изучались магнитные свойства. Очень интересный результат был получен для кислорода: магнитная восприимчивость этого вещества возрастает в момент сжижения. Тем не менее, это увеличение, которое является огромным (поскольку восприимчивость становится в тысячу шестьсот раз больше, чем была изначально), если рассматривать его применительно к равным объемам, оказывается гораздо менее значительным, если рассматривать его применительно к равным массам. Из этого факта следует заключить, что магнитные свойства, по-видимому, не присущи самим молекулам, а зависят от их состояния агрегации.

Механические свойства тел также претерпевают существенные изменения. В целом их сцепление значительно возрастает, а расширение, вызываемое небольшими изменениями температуры, становится значительным. Сэр Джеймс Дьюар провел тщательные измерения расширения некоторых тел при низких температурах: например, льда. Происходят изменения цвета, так, киноварь и иодид ртути переходят в бледно-оранжевый. Фосфоресценция становится более интенсивной, и большинство тел со сложной структурой — молоко, яйца, перья, хлопок и цветы — становятся фосфоресцирующими. То же самое происходит с некоторыми простыми телами, такими как кислород, который превращается в озон и при этом испускает белый свет.

Химическое сродство практически сходит на нет; фосфор и калий остаются инертными в жидком кислороде. Следует, однако, отметить — и это замечание, несомненно, представляет интерес для теорий фотографического действия, — что фотографические вещества сохраняют даже при температуре жидкого водорода весьма значительную часть своей светочувствительности.

Сэр Джеймс Дьюар нашел важное применение низким температурам в химическом анализе; он также использует их для создания вакуума. Его исследования, по сути, доказали, что давление воздуха, замороженного жидким водородом, не может превышать миллионной доли атмосферы. Таким образом, в этом процессе мы имеем оригинальное и быстрое средство создания отличного вакуума в аппаратах самого разного типа — средство, которое в определенных случаях может быть особенно удобным.

Благодаря этим исследованиям открылось значительное поле для биологических изысканий, но в этой области, которая не является нашей темой, я отмечу лишь один момент. Было доказано, что жизненные зародыши — например, бактерии — могут сохраняться в течение семи дней при температуре -190°C без изменения их жизнеспособности. Фосфоресцирующие организмы, правда, перестают светиться при температуре жидкого воздуха, но этот факт объясняется просто тем, что окисления и другие химические реакции, поддерживающие фосфоресценцию, в этом случае приостанавливаются, ибо фосфоресцентная активность возобновляется, как только температура снова достаточно повышается. Из этих экспериментов был сделан важный вывод, затрагивающий космогонические теории: поскольку холод космоса не может убить зародыши жизни, отнюдь не абсурдно предположить, что при соответствующих условиях зародыш может быть перенесен с одной планеты на другую.

Среди открытий, сделанных с помощью новых процессов, наиболее поразившим внимание общественности является открытие новых газов в атмосфере. Мы знаем, как сэр Уильям Рамзай и доктор Траверс впервые наблюдали с помощью спектроскопа характеристики «спутников» аргона в наименее летучей части атмосферы. Сэр Джеймс Дьюар, с одной стороны, и сэр Уильям Рамзай, с другой, впоследствии выделили, помимо аргона и гелия, криптон, ксенон и неон. Используемый процесс по существу заключается в том, чтобы сначала затвердеть наименее летучую часть воздуха, а затем заставить ее испаряться с чрезвычайной медленностью. Трубка с электродами позволяет наблюдать спектр газа в процессе дистилляции. Таким образом, можно увидеть спектры различных газов, следующих один за другим в порядке, обратном их летучести. Все эти газы одноатомны, как и ртуть; то есть они находятся в простейшем состоянии, не обладают внутренней молекулярной энергией (если не считать той, которую способно сообщить тепло) и даже, по-видимому, не обладают химической энергией. Все ведет к убеждению, что они свидетельствуют о существовании на Земле более раннего состояния вещей, ныне исчезнувшего. Можно предположить, например, что гелий и неон, молекулярная масса которых очень мала, были ранее более распространены на нашей планете; но в эпоху, когда температура земного шара была выше, сама скорость их молекул могла достигать значительной величины, превышающей, например, одиннадцать километров в секунду, что достаточно для объяснения того, почему они должны были покинуть нашу атмосферу. Криптон и ксенон, плотность которых в четыре раза больше, чем у кислорода, могут, напротив, частично исчезнуть путем растворения на дне моря, где, как не абсурдно предположить, значительные количества могли бы оказаться в сжиженном состоянии на больших глубинах.

Более того, вероятно, что верхние слои атмосферы состоят не из того же воздуха, что окружает нас. Сэр Джеймс Дьюар указывает, что закон Дальтона требует, чтобы каждый газ, составляющий атмосферу, имел на всех высотах и при всех температурах такое же давление, как если бы он был один, причем давление убывает тем медленнее, при прочих равных условиях, чем меньше его плотность. Из этого следует, что, поскольку температура постепенно понижается по мере подъема в атмосфере, на определенной высоте уже не может оставаться никаких следов кислорода или азота, которые, несомненно, сжижаются, и атмосфера должна состоять почти исключительно из наиболее летучих газов, включая водород, существование которого в воздухе доказал М. А. Готье, подобно лорду Рэлею и сэру Уильяму Рамзаю. Спектр северного сияния, в котором обнаруживаются линии тех частей атмосферы, которые невозможно сжижить в жидком водороде, вместе с линиями аргона, криптона и ксенона, вполне соответствует этой точке зрения. Однако странно, что именно спектр криптона, то есть самого тяжелого газа из этой группы, проявляется наиболее отчетливо в верхних слоях атмосферы.

Среди газов, наиболее трудных для сжижения, водород был объектом особых исследований и действительно количественных экспериментов. Его свойства в жидком состоянии теперь очень хорошо известны. Его точка кипения, измеренная гелиевым термометром, который сравнивался с термометрами кислорода и водорода, составляет -252°; его критическая температура — -241° C; критическое давление — 15 атмосфер. Он в четыре раза легче воды, не имеет спектра поглощения, а его удельная теплоемкость — самая большая из известных. Он не является проводником электричества. Затвердевший при 15° абсолютной шкалы, он вовсе не напоминает по своему виду металл; он скорее похож на кусок совершенно чистого льда, и доктор Траверс приписывает ему кристаллическую структуру. Последний газ, который сопротивлялся сжижению, гелий, недавно был получен в жидком состоянии; по-видимому, его точка кипения находится в районе 6° абсолютной шкалы.

§ 3. ТВЕРДЫЕ ТЕЛА И ЖИДКОСТИ

Интерес к результатам, к которым привели исследования непрерывности между жидким и газообразным состояниями, настолько велик, что многие ученые естественным образом были побуждены задаться вопросом, нельзя ли найти нечто аналогичное в случае жидкостей и твердых тел. Мы могли бы подумать, что подобная непрерывность должна встречаться и там, что универсальный характер свойств материи запрещает всякую реальную прерывность между двумя различными состояниями и что, по правде говоря, твердое тело является продолжением жидкого состояния.

Чтобы выяснить, верна ли эта гипотеза, нам следует сравнить свойства жидкостей и твердых тел. Если мы обнаружим, что все свойства являются общими для обоих состояний, мы имеем право полагать, даже если они проявляются в разной степени, что через непрерывный ряд промежуточных тел эти два класса все же могут быть связаны. Если же, с другой стороны, мы обнаружим, что в этих двух классах существует некое качество иной природы, мы должны неизбежно прийти к выводу, что существует прерывность, которую ничто не может устранить.

Различие, установленное с точки зрения повседневного опыта между твердыми телами и жидкостями, проистекает прежде всего из трудности, с которой мы сталкиваемся в одном случае, и легкости, с которой мы сталкиваемся в другом, когда хотим временно или постоянно изменить их форму под действием механической силы. Однако это различие в действительности соответствует лишь разнице в значениях определенных коэффициентов. Этим способом невозможно обнаружить какой-либо абсолютный признак, устанавливающий разделение между двумя классами. Современные исследования ясно доказывают это. Не бесполезно, чтобы хорошо их понять, уточнить значение нескольких терминов, которые обычно используются довольно свободно.

Если совокупность сил, действующих на однородную материальную массу, приводит к ее деформации без сжатия или расширения, могут возникнуть два весьма различных вида реакций, которые противодействуют приложенному усилию. Во время деформации и только в это время проявляют свое влияние первые из них. Они существенно зависят от большей или меньшей быстроты деформации, прекращаются вместе с движением и ни в коем случае не могут вернуть тело в его первоначальное состояние равновесия. Существование этих реакций подводит нас к идее вязкости или внутреннего трения.

Второй вид реакций имеет иную природу. Они продолжают действовать, когда деформация остается стационарной, и, если внешние силы исчезают, они способны вернуть тело в его исходную форму, при условии, что не был превышен определенный предел. Эти последние составляют жесткость.

На первый взгляд твердое тело кажется обладающим конечной жесткостью и бесконечной вязкостью; жидкость, напротив, обладает определенной вязкостью, но не обладает жесткостью. Но если мы рассмотрим вопрос более внимательно, начиная либо с твердых тел, либо с жидкостей, мы увидим, что это различие исчезает.

Треска давно показал, что внутреннее трение в твердом теле не является бесконечным; некоторые тела могут, так сказать, одновременно течь и формоваться. М. В. Спринг привел много примеров таких явлений. С другой стороны, вязкость в жидкостях никогда не является несуществующей; ибо если бы это было так для воды, например, в знаменитом эксперименте, проведенном Джоулем для определения механического эквивалента калории, жидкость, увлекаемая лопастями, скользила бы без трения по окружающей жидкости, и работа, совершаемая при движении, была бы одинаковой, независимо от того, погружались бы лопасти в жидкую массу или нет.

В некоторых случаях, давно наблюдаемых у так называемых пастообразных тел, эта вязкость достигает значения, почти сравнимого с тем, которое наблюдал М. Спринг у некоторых твердых тел. Не позволяет нам установить барьер между двумя состояниями и жесткость. Несмотря на крайнюю подвижность своих частиц, жидкости содержат, по сути, следы того свойства, которое мы ранее хотели считать особым признаком твердых тел.

Максвелл ранее преуспел в том, чтобы сделать существование этой жесткости весьма вероятным, исследуя оптические свойства деформированного слоя жидкости. Но русский физик М. Шведов пошел дальше и смог прямыми экспериментами показать, что слой жидкости, помещенный между двумя твердыми цилиндрами, стремится, когда один из цилиндров подвергается небольшому вращению, вернуться в исходное положение и сообщает измеримое кручение нити, поддерживающей цилиндр. Из знания этого кручения можно вывести жесткость. В случае раствора, содержащего 1/2 процента желатина, обнаруживается, что эта жесткость, огромная по сравнению с жесткостью воды, все же, однако, в один триллион восемьсот сорок миллиардов раз меньше, чем у стали.

Эта цифра, точная с точностью до нескольких миллиардов, доказывает, что жесткость очень мала, но существует; и этого достаточно, чтобы на этом свойстве основывалось характерное различие. В общем плане М. Спринг также установил, что мы встречаем у твердых тел, в той или иной степени, свойства жидкостей. Когда они помещаются в подходящие условия давления и времени, они текут через отверстия, передают давление во всех направлениях, диффундируют и растворяются друг в друге и химически реагируют друг с другом. Их можно спаивать вместе путем сжатия; тем же способом можно получать сплавы; и, кроме того, что, по-видимому, ясно доказывает, что материя в твердом состоянии не лишена всякой молекулярной подвижности, можно реализовать подходящие ограниченные реакции и равновесия между твердыми солями, и эти равновесия подчиняются фундаментальным законам термодинамики.

Таким образом, определение твердого тела нельзя вывести из его механических свойств. Нельзя сказать, после того что мы только что увидели, что твердые тела сохраняют свою форму, ни что они обладают ограниченной упругостью, ибо М. Спринг сделал известным случай, когда упругость твердых тел не имеет никакого предела.

Считалось, что в случае другого явления — кристаллизации — мы могли бы прийти к четкому различению, потому что здесь мы имели бы дело со специфическим качеством; и что кристаллизованные тела были бы истинно твердыми, а аморфные тела в то время рассматривались как чрезвычайно вязкие жидкости.

Но исследования немецкого физика, профессора О. Лемана, по-видимому, доказывают, что даже это средство не является безошибочным. Профессору Леману, по сути, удалось получить с некоторыми органическими соединениями — например, олеатом калия — при определенных условиях некоторые своеобразные состояния, которым он дал название полужидких и жидких кристаллов. Эти необычные явления можно наблюдать и изучать только с помощью микроскопа, и профессору из Карлсруэ пришлось разработать остроумный аппарат, который позволил ему довести препарат до требуемой температуры прямо на предметном столике микроскопа.

Таким образом становится очевидным, что эти тела воздействуют на поляризованный свет подобно кристаллу. Те, которые М. Леман называет полужидкими, все еще представляют следы полиэдрического ограничения, но с вершинами и углами, скругленными поверхностным натяжением, в то время как другие стремятся к строго сферической форме. Оптическое исследование первых из названных тел очень затруднено, потому что могут возникать видимости, обусловленные явлениями преломления и имитирующие явления поляризации. Для другого вида, которые часто так же подвижны, как вода, тот факт, что они поляризуют свет, абсолютно бесспорен.

К сожалению, все эти жидкости мутные, и можно возразить, что они не являются однородными. Это отсутствие однородности может, по мнению М. Квинке, быть обусловлено существованием частиц, взвешенных в жидкости, находящейся в контакте с другой жидкостью, смешивающейся с ней и обволакивающей ее, как могла бы мембрана, и явления поляризации объяснялись бы таким образом совершенно естественно.

М. Тамман придерживается мнения, что речь идет скорее об эмульсии, и при этой гипотезе действие на свет было бы именно таким, какое наблюдалось. Различные экспериментаторы в последние годы пытались прояснить этот вопрос. Его нельзя считать окончательно решенным, но эти весьма любопытные эксперименты, проводимые с большим терпением и замечательной изобретательностью, позволяют нам думать, что действительно существуют определенные промежуточные формы между кристаллами и жидкостями, в которых тела все еще сохраняют своеобразную структуру и, следовательно, воздействуют на свет, но тем не менее обладают значительной пластичностью.

Заметим, что вопрос о непрерывности жидкого и твердого состояний — это не совсем то же самое, что вопрос о том, существуют ли тела, промежуточные во всех отношениях между твердыми телами и жидкостями. Эти две проблемы часто ошибочно путают. Пробел между двумя классами тел может быть заполнен некоторыми веществами с промежуточными свойствами, такими как пастообразные тела и тела жидкие, но все еще кристаллизованные, поскольку они еще не полностью утратили свою своеобразную структуру. Тем не менее переход не обязательно устанавливается непрерывным образом, когда мы имеем дело с переходом одного и того же определенного вещества из жидкой формы в твердую. Мы допускаем, что это изменение может происходить незаметными ступенями в случае аморфного тела. Но кажется едва ли возможным рассматривать случай кристалла, в котором молекулярные движения должны быть существенно регулярными, как естественное продолжение случая жидкости, где мы, напротив, находимся в присутствии крайне беспорядочного состояния движения.

М. Тамман продемонстрировал, что аморфные твердые тела, по сути, вполне могут рассматриваться как суперпозиция жидкостей, наделенных очень большой вязкостью. Но это уже не то же самое, когда твердое тело находится в кристаллизованном состоянии. Тогда происходит разрыв непрерывности различных свойств вещества, и две фазы могут сосуществовать.

Мы могли бы также предположить, по аналогии с тем, что происходит с жидкостями и газами, что если бы мы проследили кривую превращения кристаллической фазы в жидкую, мы могли бы прийти к своего рода критической точке, в которой прерывность их свойств исчезла бы.

Профессор Пойнтинг, а вслед за ним профессор Планк и профессор Оствальд, предполагали, что это так, но совсем недавно М. Тамман показал, что такой точки не существует и что область устойчивости кристаллического состояния ограничена со всех сторон. На всем протяжении кривой превращения два состояния могут находиться в равновесии, но мы можем утверждать, что невозможно реализовать непрерывный ряд промежуточных звеньев между этими двумя состояниями. Всегда будет существовать более или менее выраженная прерывность в некоторых свойствах.

В ходе своих исследований М. Тамман пришел к некоторым очень важным наблюдениям и обнаружил новые аллотропные модификации почти во всех веществах, что необычайно усложняет вопрос. В случае воды, например, он обнаруживает, что обычный лед превращается при заданном давлении при температуре -80° C в другую кристаллическую разновидность, которая плотнее воды.

Статика твердых тел при высоком давлении, таким образом, пока еще едва намечена, но она обещает результаты, которые не будут идентичны тем, что получены для статики жидкостей, хотя и будут представлять, по крайней мере, равный интерес.

§ 4. ДЕФОРМАЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Если механические свойства тел, промежуточных между твердыми и жидкими, лишь недавно стали объектом систематических исследований, то твердые вещества, безусловно, изучались давно. Тем не менее, несмотря на обилие исследований по упругости, опубликованных теоретиками и экспериментаторами, многочисленные вопросы, касающиеся их, все еще остаются в подвешенном состоянии.

Мы лишь предлагаем кратко указать здесь несколько недавно рассмотренных проблем, не вдаваясь в детали вопросов, которые относятся скорее к области механики, чем к области чистой физики.

Деформации, производимые в твердых телах возрастающими усилиями, располагаются в два различных периода. Если усилия слабы, производимые деформации также очень слабы и исчезают, когда усилие прекращается. Их тогда называют упругими. Если усилия превышают определенную величину, лишь часть этих деформаций исчезает, а часть становится постоянной.

Чистота звука, издаваемого при колебании, часто приводилась как доказательство идеального изохронизма колебания и, следовательно, как демонстрация a posteriori правильности раннего закона Гука, управляющего упругими деформациями. Этот закон, однако, в течение нескольких лет часто оспаривался. Некоторые механики или физики охотно признают его неверным, особенно в отношении чрезвычайно слабых деформаций. Согласно теории, пользующейся некоторой популярностью, особенно в Германии, а именно теории Баха, закон, связывающий упругие деформации с усилиями, был бы экспоненциальным. Недавние эксперименты профессоров Кольрауша и Грюнайзена, выполненные в разнообразных и точных условиях на латуни, чугуне, сланце и кованом железе, по-видимому, не подтверждают закон Баха. Ничто, по сути, не дает оснований для отвержения закона Гука, который представляется наиболее естественным и простым приближением к реальности.

Явления остаточной деформации очень сложны, и, безусловно, кажется, что их нельзя объяснить старыми теориями, которые настаивали на том, что молекулы действуют только вдоль прямой линии, соединяющей их центры. Становится необходимым, таким образом, построить более полные гипотезы, как это сделали ММ. Коссера в некоторых превосходных мемуарах, и тогда мы сможем успешно сгруппировать факты, полученные в результате новых экспериментов. Среди экспериментов, которые должна учитывать любая теория, можно упомянуть те, с помощью которых полковник Хартманн доказал важность линий, образующихся на поверхности металлов при превышении предела упругости.

Именно на вопросы того же порядка были направлены тщательные и терпеливые исследования М. Буасса. Этот физик, столь же изобретательный, сколь и глубокий, в течение нескольких лет проводил эксперименты по самым тонким вопросам, касающимся теории упругости, и ему удалось определить с точностью, не всегда достигаемой даже в самых уважаемых трудах, деформации, которым должно быть подвергнуто тело для получения сопоставимых экспериментов. Что касается малых колебаний кручения, которые он специально изучал, М. Буасс приходит к выводу, в острой дискуссии, что мы едва ли знаем что-то большее, чем было провозглашено сто лет назад Кулоном. Мы видим на этом примере, что, как бы ни был велик прогресс, достигнутый в некоторых областях физики, все еще существуют многие слишком запущенные области, которые остаются в болезненной тьме. Мастерство, проявленное М. Буассом, дает нам право надеяться, что благодаря его исследованиям сильный свет когда-нибудь озарит эти неизвестные уголки.

Особенно интересная глава об упругости — это та, которая относится к изучению кристаллов; и в последние несколько лет она была объектом замечательных исследований со стороны М. Фойгта. Эти исследования позволили решить несколько спорных вопросов между теоретиками и экспериментаторами: в частности, М. Фойгт проверил следствия расчетов, стараясь не делать, подобно Коши и Пуассону, гипотезу о центральных силах простой функцией расстояния, и распознал потенциал, который зависит от относительной ориентации молекул. Эти соображения также применимы к квазиизотропным телам, которые, по сути, являются сетками кристаллов.

Некоторые случайные деформации, которые возникают и исчезают медленно, можно считать промежуточными между упругими и остаточными деформациями. Примером этого является тепловая деформация стекла, которая проявляется в смещении нуля термометра. То же самое касается модификаций, которые только что продемонстрировали явления магнитного гистерезиса или изменения удельного сопротивления.

Многие теоретики взялись за эти трудные вопросы. М. Бриллюэн стремится интерпретировать эти различные явления с помощью молекулярной гипотезы. Попытка может показаться смелой, поскольку эти явления, по большей части, существенно необратимы и, следовательно, кажутся неадаптируемыми к механике. Но М. Бриллюэн стремится показать, что при определенных условиях необратимые явления могут быть созданы между двумя материальными точками, действия которых зависят исключительно от их расстояния; и он приводит поразительные примеры, которые, по-видимому, доказывают, что большое количество необратимых физических и химических явлений можно приписать существованию состояний неустойчивого равновесия.

М. Дюэм подошел к проблеме с другой стороны и стремится привести ее в рамки термодинамики. Однако обычная термодинамика не могла бы объяснить экспериментально реализуемые состояния равновесия в явлениях вязкости и трения, поскольку эта наука объявляет их невозможными. М. Дюэм, однако, приходит к идее, что установление уравнений термодинамики предполагает, среди прочих гипотез, одну, которая является совершенно произвольной, а именно: что когда состояние системы задано, внешние действия, способные поддерживать ее в этом состоянии, определяются без двусмысленности уравнениями, называемыми условиями равновесия системы. Если мы отвергнем эту гипотезу, то тогда будет допустимо ввести в термодинамику ранее исключенные законы, и можно будет построить, как это сделал М. Дюэм, гораздо более всеобъемлющую теорию.

Идеи М. Дюэма были проиллюстрированы замечательной экспериментальной работой. М. Марши, например, руководствуясь этими идеями, изучал постоянные модификации, производимые в стекле колебанием температуры. Эти модификации, которые можно назвать явлениями гистерезиса расширения, могут быть прослежены весьма заметным образом с помощью стеклянного термометра. Общие результаты вполне согласуются с предвидениями М. Дюэма. М. Ленобль в исследованиях по растяжению металлических проволок и М. Шевалье в экспериментах по постоянным изменениям электрического сопротивления проволок из сплава платины и серебра при подвергании периодическим изменениям температуры также предоставили подтверждения теории, предложенной М. Дюэмом.

В этой теории репрезентативная система считается зависящей от температуры одной или нескольких других переменных, таких как, например, химическая переменная. Подобная идея была развита в очень хорошем цикле мемуаров о никелевой стали М. Ш. Эд. Гийомом. Выдающийся физик, который своими более ранними исследованиями внес большой вклад в прояснение аналогичного вопроса о смещении нуля в термометрах, заключает из новых исследований, что остаточные явления обусловлены химическими изменениями и что возвращение к первичному химическому состоянию заставляет изменение исчезнуть. Он применяет свои идеи не только к явлениям, представленным необратимыми сталями, но и к совершенно иным фактам; например, к фосфоресценции, некоторые особенности которой могут быть интерпретированы аналогичным образом.

Никелевые стали обладают самыми любопытными свойствами, и я уже указывал на первостепенную важность одной из них, едва ли способной к заметному расширению, для ее применения в метрологии и хронометрии. Другие, также открытые М. Гийомом в ходе исследований, проведенных с редким успехом и замечательной изобретательностью, могут оказать большие услуги, поскольку можно регулировать, так сказать, по желанию их механические или магнитные свойства.

Изучение сплавов в целом, кроме того, является одним из тех, в которых введение методов физики произвело наибольшие эффекты. Микроскопическим исследованием полированной поверхности или поверхности, протравленной реагентом, определением электродвижущей силы элементов, из которых сплав образует один из полюсов, и измерением удельных сопротивлений, плотностей и разностей потенциалов или контактов получаются наиболее ценные указания относительно их состава. М. Ле Шателье, М. Шарпи, М. Дюма, М. Осмонд во Франции; сэр У. Робертс-Остен и г-н Стэнсфилд в Англии дали многообразные примеры плодотворности этих методов. Вопрос, кроме того, получил новое освещение благодаря применению принципов термодинамики и правила фаз.

Сплавы обычно известны в двух состояниях: твердом и жидком. Плавленые сплавы состоят из одного или нескольких растворов составляющих металлов и определенного числа определенных соединений. Их состав, таким образом, может быть очень сложным: но правило Гиббса дает нам сразу важную информацию по этому вопросу, поскольку оно указывает, что в сплаве двух металлов в общем случае не может существовать более двух различных растворов.

Твердые сплавы можно классифицировать так же, как и жидкие. Два металла или более растворяются друг в друге и образуют твердый раствор, вполне аналогичный жидкому раствору. Но изучение этих твердых растворов становится необычайно трудным из-за того, что равновесие, так быстро достигаемое в случае жидкостей, в данном случае устанавливается днями, а в некоторых случаях, возможно, даже столетиями.

ГЛАВА V

РАСТВОРЫ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ

§ 1. РАСТВОР

Испарение и плавление — не единственные способы, которыми физическое состояние тела может быть изменено без изменения его химического состава. С самых отдаленных времен растворение также было известно и изучалось, но только в последние двадцать лет мы получили иную, нежели эмпирическую, информацию об этом явлении.

Естественно использовать здесь также методы, которые позволили нам проникнуть в знание других превращений. К проблеме раствора можно подойти с помощью термодинамики и гипотез кинетики.

Еще в 1858 году Кирхгоф, приписав солевым растворам — то есть смесям воды и нелетучей жидкости, такой как серная кислота, — свойства внутренней энергии, обнаружил связь между количеством тепла, выделяемого при добавлении определенного количества воды к раствору, и изменениями, которым конденсация и температура подвергают упругость пара раствора. Он рассчитал для этой цели изменения энергии, которые происходят при переходе из одного состояния в другое путем двух различных серий превращений; и, сравнив два выражения, полученные таким образом, он установил связь между различными элементами явления. Но в течение долгого времени после этого вопрос продвигался мало, потому что, казалось, почти не было средств ввести в это изучение второй принцип термодинамики. Именно мемуары Гиббса наконец открыли эту богатую область и позволили рационально ее эксплуатировать. Уже в 1886 году М. Дюэм показал, что теория термодинамического потенциала дает точную информацию о растворах или жидких смесях. Он таким образом заново открыл знаменитый закон о понижении температуры замерзания растворителей, который только что был установлен М. Раулем после долгой серии ныне классических исследований.

В умах многих людей, однако, сохранялись серьезные сомнения. Растворение казалось существенно необратимым явлением. Поэтому было, во всей строгости, невозможно рассчитать энтропию раствора и, следовательно, быть уверенным в значении термодинамического потенциала. Возражение было бы серьезным даже сегодня, и в расчетах то, что называется парадоксом Гиббса, было бы препятствием.

Нам не следует, однако, колебаться в применении Правила фаз к растворам, и этот закон уже дает нам ключ к определенному количеству фактов. Он выявляет, например, роль, которую играет эвтектическая точка — то есть точка, в которой (если ограничиться простым случаем, в котором мы имеем дело только с двумя телами, растворителем и растворенным веществом) раствор находится в равновесии одновременно с двумя возможными твердыми телами, растворенным телом и затвердевшим растворителем. Знание этой точки объясняет свойства охлаждающих смесей, и оно также является одним из самых полезных для теории сплавов. Скрупулезность физиков должна была быть устранена в памятном случае, когда профессор Вант-Гофф продемонстрировал, что растворение может протекать обратимо по причине явлений осмоса. Но эксперимент может удаться только в очень редких случаях; и, с другой стороны, профессор Вант-Гофф был естественным образом приведен к другой очень смелой концепции. Он рассматривал молекулу растворенного тела как газообразную и уподоблял растворение не, как это было до сих пор правилом, плавлению, а своего рода испарению. Естественно, его идеи не были немедленно приняты учеными, наиболее тесно связанными с классической традицией. Возможно, не будет бесполезным рассмотреть здесь принципы теории профессора Вант-Гоффа.

§ 2. ОСМОС

Осмос, или диффузия через перегородку, — это явление, известное уже некоторое время. Открытие его приписывают аббату Нолле, который, как предполагается, наблюдал его в 1748 году во время некоторых «исследований жидкостей в состоянии кипения». Классический эксперимент Дютроше, проведенный около 1830 года, делает это явление ясным. В чистую воду погружается нижняя часть вертикальной трубки, содержащей чистый спирт, открытой сверху и закрытой снизу мембраной, такой как свиной мочевой пузырь, без каких-либо видимых перфораций. Через очень короткое время будет обнаружено, например, с помощью ареометра, что вода снаружи содержит спирт, в то время как спирт в трубке, чистый вначале, теперь разбавлен. Таким образом, через мембрану прошли два потока: один поток воды снаружи внутрь и один поток спирта в обратном направлении. Также отмечается, что произошла разница в уровнях и что жидкость в трубке теперь поднимается на значительную высоту. Следовательно, должно быть признано, что поток воды был более быстрым, чем поток спирта. В начале вода должна была проникнуть в трубку гораздо быстрее, чем спирт покинул ее. Отсюда разница в уровнях и, следовательно, разница давлений на двух сторонах мембраны. Эта разница продолжает увеличиваться, достигает максимума, затем уменьшается и исчезает, когда диффузия завершена, после чего достигается окончательное равновесие.

Явление явно связано с диффузией. Если воду очень осторожно налить на спирт, два слоя, раздельные вначале, постепенно смешиваются, пока не будет получено однородное вещество. Мочевой пузырь, по-видимому, не предотвратил эту диффузию, но он, кажется, проявил себя более проницаемым для воды, чем для спирта. Нельзя ли поэтому предположить, что должны существовать разделительные стенки, в которых эта разница проницаемости становится все больше и больше, которые были бы проницаемы для растворителя и абсолютно непроницаемы для растворенного вещества? Если это так, явления этих полупроницаемых стенок, как их называют, можно наблюдать в особенно простых условиях.

Ответ на этот вопрос был предоставлен биологами, чему мы не можем удивляться. Явления осмоса, естественно, имеют первостепенное значение в действии организмов и долгое время привлекали внимание натуралистов. Де Фриз предположил, что сокращения, замеченные в протоплазме клеток, помещенных в солевые растворы, обусловлены явлением осмоса, и, изучая более внимательно некоторые особенности клеточной жизни, различные ученые продемонстрировали, что живые клетки заключены в мембраны, проницаемые для определенных веществ и полностью непроницаемые для других. Было интересно попытаться воспроизвести искусственно полупроницаемые стенки, аналогичные тем, что встречаются в природе; и Траубе и Пфеффер, по-видимому, преуспели в одном конкретном случае. Траубе указал, что очень тонкая мембрана из ферроцианида калия, которая получается с некоторым трудом путем подвергания ее реакции сульфата меди, проницаема для воды, но не позволит пройти большинству солей. Пфеффер, создавая эти стенки в промежутках пористого фарфора, преуспел в том, чтобы придать им достаточную жесткость, чтобы позволить проводить измерения. Должно быть признано, что, к сожалению, ни один физик или химик не был так удачлив, как эти два ботаника; и попытки воспроизвести полупроницаемые стенки, полностью отвечающие определению, никогда не давали ничего, кроме посредственных результатов. Если, однако, экспериментальная трудность не была преодолена совершенно удовлетворительным образом, по крайней мере кажется очень вероятным, что такие стенки тем не менее могут существовать.

Тем не менее, в случае газов существует отличный пример полупроницаемой стенки, и платиновая перегородка, доведенная до температуры выше красного каления, является, как показал М. Виллар в некоторых остроумных экспериментах, полностью непроницаемой для воздуха и, напротив, очень проницаемой для водорода. Можно также экспериментально продемонстрировать, что при взятии двух сосудов, разделенных такой перегородкой и оба содержащих азот, смешанный с различными пропорциями водорода, последний газ пройдет через перегородку таким образом, что концентрация — то есть масса газа на единицу объема — станет одинаковой с обеих сторон. Только тогда установится равновесие; и в этот момент в том сосуде, который вначале содержал газ с наименьшим количеством водорода, естественным образом возникнет избыток давления.

Этот эксперимент позволяет нам предвидеть, что произойдет в жидкой среде с полупроницаемыми перегородками. Между двумя сосудами, один из которых содержит чистую воду, а другой, скажем, воду с сахаром в растворе, разделенными одной из этих перегородок, произойдет лишь движение чистой воды в сторону подслащенной, и вслед за этим — увеличение давления на стороне последней. Но это увеличение не будет безграничным. В определенный момент давление перестанет расти и останется на фиксированном значении, которое теперь имеет заданное направление. Это и есть осмотическое давление.

Пфеффер продемонстрировал, что для одного и того же вещества осмотическое давление пропорционально концентрации и, следовательно, обратно пропорционально объему, занимаемому аналогичной массой растворенного вещества. Он привел цифры, из которых было легко, как обнаружил профессор Вант-Гофф, сделать вывод, что при постоянном объеме осмотическое давление пропорционально абсолютной температуре. Де Фриз, кроме того, своими замечаниями о живых клетках расширил результаты, которые Пфеффер применил только к одному случаю — то есть к тому, который он смог исследовать экспериментально.

Таковы существенные факты осмоса. Мы можем попытаться интерпретировать их и тщательно изучить механизм явления; но должно быть признано, что в отношении этого пункта физики не вполне согласны. По мнению профессора Нернста, проницаемость полупроницаемых мембран просто обусловлена различиями в растворимости в одном из веществ самой мембраны. Другие физики считают ее объяснимой либо разницей в размерах молекул, из которых некоторые могли бы пройти через поры мембраны, а другие быть остановлены своим относительным размером, либо большей или меньшей подвижностью этих молекул. Для других, опять же, именно капиллярные явления играют здесь преобладающую роль.

Эта последняя идея уже не нова: Ягер, Мор и профессор Траубе — все пытались показать, что направление и скорость осмоса определяются различиями в поверхностных натяжениях; и недавние эксперименты, особенно эксперименты Бателли, по-видимому, доказывают, что осмос устанавливается таким образом, который наилучшим образом выравнивает поверхностные натяжения жидкостей по обе стороны перегородки. Растворы, обладающие одинаковым поверхностным натяжением, хотя и не находящиеся в молекулярном равновесии, были бы, таким образом, всегда в осмотическом равновесии. Мы не должны скрывать от себя, что этот результат был бы в противоречии с кинетической теорией.

§ 3. ПРИМЕНЕНИЕ К ТЕОРИИ РАСТВОРА

Если действительно существуют перегородки, проницаемые для одного тела и непроницаемые для другого, можно представить, что однородная смесь этих двух тел могла бы быть осуществлена обратным способом. Можно легко представить, по сути, что с помощью осмотического давления было бы возможно, например, разбавить или концентрировать раствор, прогоняя через перегородку в том или ином направлении определенное количество растворителя посредством давления, поддерживаемого равным осмотическому давлению. Это важный факт, который осознал профессор Вант-Гофф. Существование такой стенки во всех возможных случаях, очевидно, остается лишь очень законной гипотезой — факт, который не следует скрывать.

Опираясь исключительно на этот постулат, профессор Вант-Гофф легко установил, наиболее корректным методом, определенные свойства растворов газов в летучей жидкости или нелетучих тел в летучей жидкости. Чтобы уточнить другие отношения, мы должны допустить, в дополнение, экспериментальные законы, открытые Пфеффером. Но без какой-либо гипотезы становится возможным продемонстрировать законы Рауля о понижении упругости пара и температуры замерзания растворов, а также отношение, которое связывает теплоту плавления с этим уменьшением.

Эти значительные результаты могут быть, очевидно, приведены в качестве доказательств a posteriori точности экспериментальных законов осмоса. Они, однако, не единственные, которые профессор Вант-Гофф получил тем же методом. Этот прославленный ученый смог таким образом заново найти закон Гульдберга и Вааге о химическом равновесии при постоянной температуре и показать, как положение равновесия меняется, когда температура меняется.

Если теперь мы заявим, в соответствии с законами Пфеффера, что произведение осмотического давления на объем раствора равно абсолютной температуре, умноженной на коэффициент, а затем поищем числовое значение этого последнего в растворе сахара, например, мы обнаружим, что это значение такое же, как у аналогичного коэффициента характеристического уравнения идеального газа. В этом есть совпадение, которое также было использовано в предыдущих термодинамических расчетах. Оно может быть чисто случайным, но мы едва ли можем удержаться от того, чтобы не найти в нем физического смысла.

Профессор Вант-Гофф счел это совпадение демонстрацией того, что существует сильная аналогия между телом в растворе и газом; на самом деле, может показаться, что в растворе расстояние между молекулами становится сравнимым с молекулярными расстояниями, встречающимися в газах, и что молекула приобретает ту же степень свободы и ту же простоту в обоих явлениях. В таком случае кажется вероятным, что растворы будут подчиняться законам, независимым от химической природы растворенной молекулы и сравнимым с законами, управляющими газами, в то время как если мы примем кинетический образ для газа, мы будем приведены к тому, чтобы представить себе аналогичным образом явления, которые проявляются в растворе. Осмотическое давление тогда будет казаться обусловленным ударом растворенных молекул о мембрану. Оно будет исходить с одной стороны этой перегородки, чтобы наложиться на гидростатическое давление, которое должно иметь одинаковое значение с обеих сторон.

Аналогия с идеальным газом естественным образом становится гораздо больше по мере того, как раствор становится более разбавленным. Он тогда имитирует газ в некоторых других свойствах; внутренняя работа изменения объема равна нулю, а удельная теплоемкость является лишь функцией температуры. Раствор, который разбавляется обратимым методом, охлаждается подобно газу, который расширяется адиабатически.

Должно быть, однако, признано, что в других пунктах аналогия гораздо менее совершенна. Мнение, которое видит в растворе явление, напоминающее плавление, и которое оставило неизгладимый след в повседневном языке (мы всегда будем говорить: растворить сахар в воде), безусловно, не лишено основания. Некоторые из причин, которые могли бы быть приведены для поддержания этого мнения, слишком очевидны, чтобы повторять их здесь, хотя можно было бы привести и другие, более скрытые. Тот факт, что внутренняя энергия обычно становится независимой от концентрации, когда разбавление достигает даже умеренно высокого значения, скорее в пользу гипотезы плавления.

Мы не должны забывать, однако, о непрерывности жидкого и газообразного состояний; и мы можем считать абсолютно лишенным смысла вопрос о том, находится ли в растворе растворенное вещество в жидком или газообразном состоянии. Оно находится в жидком состоянии и, возможно, в условиях, противоположных условиям тела в состоянии идеального газа. Известно, конечно, что в этом случае манометрическое давление должно рассматриваться как очень большое по отношению к внутреннему давлению, которое в характеристическом уравнении добавляется к другому. Не может ли показаться возможным, что в растворе, напротив, доминирует внутреннее давление, а манометрическое давление становится несущественным? Совпадение формул было бы таким образом подтверждено, ибо все характеристические уравнения симметричны по отношению к этим двум давлениям. С этой точки зрения осмотическое давление рассматривалось бы как результат притяжения между растворителем и растворенным веществом; и оно представляло бы разницу между внутренними давлениями раствора и чистого растворителя. Эти гипотезы весьма интересны и очень наводят на размышления; но из того, как были изложены факты, будет видно, без сомнения, что нет никакой обязанности принимать их, чтобы верить в законность применения термодинамики к явлениям растворения.

§ 4. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ

С самого начала профессор Вант-Гофф был приведен к признанию того, что большое количество растворов образует весьма заметные исключения, которые выглядели очень нерегулярными. Аналогия с газами, по-видимому, не сохранялась, ибо осмотическое давление имело очень отличное значение от того, которое указывала теория. Все, однако, вставало на свои места, если умножить на коэффициент, определенный для каждого случая, но больший единицы, константу характеристической формулы. Подобные расхождения проявлялись в задержках, наблюдаемых при замерзании, и исчезали при применении аналогичной коррекции.

Таким образом, температура замерзания нормального раствора, содержащего грамм-молекулу (то есть число граммов, равное числу, представляющему молекулярную массу) спирта или сахара в воде, понижается на 1,85° C. Если бы законы растворения были идентичными для раствора поваренной соли, то такое же понижение должно было бы наблюдаться и в солевом растворе, также содержащем 1 молекулу на литр. На самом деле падение достигает 3,26°, и раствор ведет себя так, как если бы он содержал не 1, а 1,75 нормальной молекулы на литр. Рассмотрение осмотического давления привело бы к аналогичным наблюдениям, но мы знаем, что эксперимент был бы более трудным и менее точным.

Мы можем задаться вопросом, можно ли встретить что-либо действительно аналогичное этому в случае газа, и таким образом мы приходим к рассмотрению явлений диссоциации. Если мы нагреем тело, которое в газообразном состоянии способно к диссоциации — например, иодистоводородную кислоту — при данной температуре, то между тремя газообразными телами — кислотой, иодом и водородом — устанавливается равновесие. Общая масса будет с достаточной точностью следовать закону Мариотта, но характеристическая константа уже не будет такой же, как в случае недиссоциированного газа. Здесь мы имеем дело уже не с одной молекулой, поскольку каждая молекула частично диссоциирована.

Сравнение этих двух случаев приводит к использованию нового образа для представления явления, которое произошло во всем солевом растворе. Мы ввели одну молекулу соли, и все происходит так, как если бы их было 1,75 молекулы. Нельзя ли действительно сказать, что число равно 1,75, потому что поваренная соль частично диссоциирована, и молекула превратилась в 0,75 молекулы натрия, 0,75 хлора и 0,25 соли?

Это способ выражения, который на первый взгляд кажется странно противоречащим эксперименту. Профессор Вант-Гофф, как и другие химики, безусловно, отверг бы — и, по правде говоря, сначала так и сделал — такую концепцию, если бы примерно в то же время выдающийся шведский ученый М. Аррениус не пришел к той же идее другим путем и, уточнив и модифицировав ее, не представил бы ее в приемлемой форме.

Краткий анализ легко покажет, что все вещества, которые являются исключениями из законов Вант-Гоффа, — это именно те, которые способны проводить электричество при разложении, то есть являются электролитами. Совпадение абсолютно и не может быть просто случайным.

Между тем явления электролиза уже давно навязали нам почти необходимый образ. Солевая молекула, как мы знаем, всегда разлагается в первичном явлении электролиза на два элемента, которые Фарадей назвал ионами. Вторичные реакции, несомненно, часто усложняют вопрос, но это химические реакции, относящиеся к общему порядку вещей, и они не имеют ничего общего с электрическим действием, воздействующим на раствор. Простое явление всегда одно и то же — разложение на два иона, за которым следует появление одного из этих ионов на положительном, а другого — на отрицательном электроде. Но поскольку для начала электролиза достаточно самого ничтожного расхода энергии, необходимо предположить, что эти два иона не связаны никакой силой. Таким образом, два иона, в некотором смысле, диссоциированы. Клаузиус, который первым представил эти явления с помощью данного символа, предположил, чтобы не слишком шокировать чувства химиков, что эта диссоциация затрагивает лишь бесконечно малую долю общего числа молекул соли и тем самым ускользает от всякой проверки.

Эта уступка была неудачной, и гипотеза таким образом потеряла большую часть своей полезности. М. Аррениус был смелее и откровенно признал, что диссоциация происходит сразу в случае большого числа молекул и стремится увеличиваться все больше и больше по мере того, как раствор становится более разбавленным. Это следует из сравнения с газом, который, будучи частично диссоциированным в замкнутом пространстве, становится полностью таковым в бесконечном.

М. Аррениус пришел к принятию этой гипотезы путем изучения экспериментальных результатов, относящихся к проводимости электролитов. Чтобы интерпретировать определенные факты, необходимо признать, что только часть молекул в солевом растворе может считаться проводниками электричества и что при добавлении воды число молекулярных проводников увеличивается. Это увеличение, хотя и быстрое вначале, вскоре замедляется и приближается к определенному пределу, которого позволило бы достичь бесконечное разбавление. Если проводящие молекулы — это диссоциированные молекулы, то диссоциация (поскольку речь идет о сильных кислотах и солях) стремится стать полной в случае неограниченного разбавления.

Противодействие большого числа химиков и физиков идеям М. Аррениуса поначалу было очень яростным. Следует с сожалением отметить, что, в частности, во Франции прибегли к оружию, которым ученые часто пользуются довольно неуклюже. Они шутили по поводу этих свободных ионов в растворе и просили показать им этот хлор и этот натрий, которые плавали в воде в состоянии свободы. Но в науке, как и везде, ирония — не аргумент, и вскоре пришлось признать, что гипотеза М. Аррениуса оказалась удивительно плодотворной и ее следует рассматривать, во всяком случае, как очень выразительный образ, если не полностью соответствующий реальности.

Было бы, безусловно, противоречило всякому опыту и даже самому здравому смыслу предполагать, что в растворенном хлориде натрия действительно есть свободный натрий, если мы предположим, что эти атомы натрия абсолютно идентичны обычным атомам. Но есть большая разница. В одном случае атомы наэлектризованы и несут относительно значительный положительный заряд, неотделимый от их состояния ионов, в то время как в другом они находятся в нейтральном состоянии. Мы можем предположить, что наличие этого заряда вызывает столь обширные модификации химических свойств атома, сколь угодно большие. Таким образом, гипотеза будет выведена из любой дискуссии химического порядка, поскольку она была заранее сделана достаточно пластичной, чтобы адаптироваться ко всем известным фактам; и если мы возразим, что натрий не может существовать в воде, потому что он мгновенно разлагает ее, ответ будет просто в том, что ион натрия не разлагает воду, как это делает обычный натрий.

Тем не менее, могли быть выдвинуты другие возражения, которые не так легко опровергнуть. Одно из них, которому химики не без оснований придавали большое значение, заключалось в следующем: если определенное количество хлорида натрия диссоциировано на хлор и натрий, должно быть возможно, например, путем диффузии, которая ясно выявляет явления диссоциации в газах, извлечь из раствора часть хлора или натрия, в то время как соответствующая часть другого соединения осталась бы. Этот результат находился бы в вопиющем противоречии с тем фактом, что везде и всегда раствор соли содержит строго одинаковые пропорции своих составных элементов.

М. Аррениус отвечает на это, что электрические силы в обычных условиях препятствуют разделению путем диффузии или любым другим процессом. Профессор Нернст идет дальше и показал, что концентрационные токи, которые возникают, когда два электрода из одного и того же вещества погружаются в два неравноконцентрированных раствора, могут быть интерпретированы гипотезой о том, что в этих конкретных условиях диффузия действительно вызывает разделение ионов. Таким образом, аргумент оборачивается, и доказательство, которое считалось подтверждением неверности теории, становится еще одним доводом в ее пользу.

Несомненно, можно привести несколько других экспериментов, которые не очень благоприятны для точки зрения М. Аррениуса, но это единичные случаи; и в целом его теория позволила скоординировать многие разрозненные до тех пор факты и связать воедино самые разнообразные явления. Она также подсказала — и, более того, продолжает ежедневно подсказывать — исследования высочайшего порядка.

Прежде всего, теория Аррениуса очень просто объясняет электролиз. Ионы, которые, так сказать, блуждают наугад и равномерно распределены по всей жидкости, направляются по регулярному пути, как только мы погружаем в ванну, содержащую электролит, два электрода, соединенные с полюсами динамо-машины или генератора электричества. Тогда заряженные положительные ионы движутся в направлении электродвижущей силы, а отрицательные ионы — в противоположном направлении. Достигая электродов, они отдают им заряды, которые несут, и таким образом переходят из состояния иона в состояние обычного атома. Более того, чтобы раствор оставался в равновесии, исчезнувшие ионы должны быть немедленно заменены другими, и таким образом состояние ионизации электролита остается постоянным, а его проводимость сохраняется.

Все особенности электролиза поддаются интерпретации: явления переноса ионов, прекрасные эксперименты М. Бути, работы профессора Кольрауша и профессора Оствальда по различным вопросам электролитической проводимости — все они поддерживают эту теорию. Ее верификации могут быть даже количественными, и мы можем предвидеть численные соотношения между проводимостью и другими явлениями. Измерение проводимости позволяет вычислить число молекул, диссоциированных в данном растворе, и это число оказывается в точности таким же, к какому приходят, если хотят устранить расхождение между реальностью и ожиданиями, вытекающими из теории профессора Вант-Гоффа. Законы криоскопии, тонометрии и осмоса таким образом снова становятся строгими, и исключений из них не остается.

Если диссоциация солей является реальностью и является полной в разбавленном растворе, то любое свойство солевого раствора должно быть представлено численно как сумма трех величин, одна из которых относится к положительному иону, вторая — к отрицательному иону, а третья — к растворителю. Свойства растворов тогда были бы тем, что называют аддитивными свойствами. Многочисленные проверки могут быть предприняты самыми разными путями. Они, как правило, проходят очень успешно; и измеряем ли мы электрическую проводимость, плотность, удельные теплоемкости, показатель преломления, силу вращательной поляризации, цвет или спектр поглощения, аддитивное свойство будет везде обнаружено в растворе.

Гипотеза, столь оспариваемая химиками вначале, более того, обеспечивает свой триумф важными завоеваниями в самой области химии. Она позволяет нам дать яркое объяснение химической реакции, и вместо старого девиза химиков «Corpora non agunt, nisi soluta» она подставляет современный: «Реагируют прежде всего ионы». Так, например, все соли железа, которые содержат железо в состоянии ионов, дают схожие реакции; но соли, такие как ферроцианид калия, в которых железо не играет роли иона, никогда не дают характерных реакций железа.

Профессор Оствальд и его ученики извлекли из гипотезы Аррениуса многообразные следствия, которые стали причиной значительного прогресса в физической химии. Профессор Оствальд показал, в частности, как эта гипотеза позволяет количественно рассчитать условия равновесия электролитов и растворов, и особенно явления нейтрализации. Если растворенная соль частично диссоциирована на ионы, этот раствор должен быть ограничен равновесием между недиссоциированной молекулой и двумя ионами, возникающими в результате диссоциации; и, уподобляя это явление случаю газов, мы можем использовать для его изучения законы Гиббса и Гульдберга и Вааге. Результаты, как правило, очень удовлетворительны, и новые исследования ежедневно дают новые проверки.

Профессор Нернст, который ранее дал, как было сказано, замечательную интерпретацию диффузии электролитов, в направлении, указанном М. Аррениусом, развил теорию всех явлений электролиза, которая, в частности, дает поразительное объяснение механизма возникновения электродвижущей силы в гальванических элементах.

Расширяя аналогию, уже столь удачно примененную, между явлениями, встречающимися в растворах, и теми, что происходят в газах, профессор Нернст предполагает, что металлы стремятся, так сказать, испаряться, находясь в присутствии жидкости. Кусок цинка, введенный, например, в чистую воду, порождает несколько металлических ионов. Эти ионы становятся положительно заряженными, в то время как металл естественно приобретает равный заряд, но противоположного знака. Таким образом, раствор и металл оба наэлектризованы; но этот род испарения затрудняется электростатическим притяжением, и поскольку заряды, переносимые ионами, значительны, установится равновесие, хотя число ионов, которые входят в раствор, будет очень малым.

Если жидкость, вместо того чтобы быть растворителем, как чистая вода, содержит электролит, она уже содержит металлические ионы, осмотическое давление которых будет противоположно давлению раствора. Тогда могут возникнуть три случая: либо будет равновесие, либо электростатическое притяжение будет противодействовать давлению раствора и металл будет заряжен отрицательно, либо, наконец, притяжение будет действовать в том же направлении, что и давление, и металл станет положительно, а раствор отрицательно заряженным. Развивая эту идею, профессор Нернст вычисляет с помощью действия осмотических давлений изменения энергии, вступающие в игру, и величину разностей потенциалов при контакте электродов и электролитов. Он выводит это из электродвижущей силы одного гальванического элемента, которая таким образом связывается с величинами осмотических давлений или, если хотите, благодаря соотношению, открытому Вант-Гоффом, с концентрациями. Некоторые особенно интересные электрические явления таким образом соединяются с уже очень важной группой, и строится новый мост, который объединяет два региона, долгое время считавшихся чуждыми друг другу.

Недавние открытия явлений, происходящих в газах, когда они становятся проводниками электричества, почти навязывают нам, как мы увидим, идею о том, что в этих газах существуют наэлектризованные центры, движущиеся через поле, и эта идея придает еще большую вероятность аналогичной теории, объясняющей механизм проводимости жидкостей. Будет также полезно, чтобы избежать путаницы, точно сформулировать это понятие электролитических ионов и установить их величину, заряд и скорость.

Два классических закона Фарадея предоставят нам важную информацию. Первый указывает, что количество электричества, проходящего через жидкость, пропорционально количеству вещества, отложившегося на электродах. Это сразу приводит нас к соображению, что в любом данном растворе все ионы обладают индивидуальными зарядами, равными по абсолютной величине.

Второй закон может быть сформулирован в таких терминах: грамм-атом металла несет с собой в электролиз количество электричества, пропорциональное его валентности.

Многочисленные эксперименты позволили узнать общую массу водорода, способную нести один кулон, и поэтому можно будет оценить заряд иона водорода, если известно число атомов водорода в данной массе. Эта последняя цифра уже предоставлена соображениями, вытекающими из кинетической теории, и согласуется с той, которую можно вывести из изучения различных явлений. Результат заключается в том, что ион водорода, имеющий массу 1,3 x 10^-20 граммов, несет заряд 1,3 x 10^-20 электромагнитных единиц; и второй закон немедленно позволит аналогичным образом оценить заряд любого другого иона.

Измерения проводимости, соединенные с определенными соображениями, касающимися различий в концентрации, которые появляются вокруг электрода при электролизе, позволяют вычислить скорость ионов. Так, в жидкости, содержащей 1/10 иона водорода на литр, абсолютная скорость иона составила бы 3/10 миллиметра в секунду в поле, где падение потенциала составляло бы 1 вольт на сантиметр. Сэр Оливер Лодж, который проводил прямые эксперименты для измерения этой скорости, получил цифру, очень близкую к этой. Это значение очень мало по сравнению с тем, которое мы встретим в газах.

Другое следствие законов Фарадея, на которое еще в 1881 году обратил внимание Гельмгольц, можно считать отправной точкой некоторых новых доктрин, с которыми мы столкнемся позже.

Гельмгольц говорит: «Если мы принимаем гипотезу о том, что простые тела состоят из атомов, мы обязаны признать, что точно так же электричество, будь то положительное или отрицательное, состоит из элементарных частей, которые ведут себя как атомы электричества».

Второй закон кажется, по сути, аналогичным закону кратных отношений в химии, и он показывает нам, что переносимые количества электричества варьируются от простого к двойному или тройному, в зависимости от того, идет ли речь об одно-, двух- или трехвалентном металле; и как химический закон приводит к концепции материального атома, так и электролитический закон подсказывает идею электрического атома.

ГЛАВА VI

ЭФИР

§ 1. СВЕТОВОЙ ЭФИР

Именно в работах Декарта мы находим первую идею приписывания тех физических явлений, которые свойства материи не могут объяснить, некоторой тонкой материи, являющейся вместилищем энергии Вселенной.

В наше время этой идее необычайно повезло. После того как она была затенена на двести лет успехом бессмертного синтеза Ньютона, она обрела совершенно новый блеск с Френелем и его последователями. Благодаря их замечательным открытиям первый этап казался завершенным, законы оптики были представлены единой гипотезой, чудесно приспособленной для того, чтобы позволить нам предвидеть неизвестные явления, и все эти предвидения впоследствии были полностью подтверждены экспериментом. Но исследования Фарадея, Максвелла и Герца санкционировали еще большие амбиции; и действительно казалось, что эта среда, которой было решено дать древнее название эфира и которая уже объяснила свет и лучистое тепло, будет также достаточна для объяснения электричества. Таким образом, начала формироваться надежда, что мы сможем доказать единство всех физических сил. Считалось, что знание законов, относящихся к самым сокровенным движениям этого эфира, может дать нам ключ ко всем явлениям и может познакомить нас с методом, которым энергия накапливается, передается и распределяется в своих внешних проявлениях.

Мы не можем изучить здесь все проблемы, связанные с физикой эфира. Для этого пришлось бы написать полный трактат по оптике и очень длинный — по электричеству. Я просто попытаюсь быстро показать, как за последние несколько лет эволюционировали идеи, касающиеся строения этого эфира, и мы увидим, возможно ли, не обманывая себя, представить, что единая среда действительно может позволить нам сгруппировать все известные факты в одну всеобъемлющую систему.

Сконструированная Френелем гипотеза светового эфира, которой вначале пришлось так упорно бороться, чтобы преодолеть упрямое сопротивление сторонников тогдашней классической теории эмиссии, казалась, напротив, обладать впоследствии непоколебимой силой. Ламе, хотя и осторожный математик, писал: «Существование эфирного флюида неоспоримо доказано распространением света через планетарные пространства и объяснением, столь простым и полным, явлений дифракции в волновой теории света»; и он добавляет: «Законы двойного лучепреломления доказывают с не меньшей уверенностью, что эфир существует во всех прозрачных средах». Таким образом, эфир перестал быть гипотезой, а стал в некотором роде осязаемой реальностью. Но эфирный флюид, существование которого было таким образом провозглашено, обладает некоторыми своеобразными свойствами.

Если бы речь шла только об объяснении прямолинейного распространения, отражения, преломления, дифракции и интерференции, несмотря на серьезные трудности вначале и возражения, сформулированные Лапласом и Пуассоном (некоторые из которых, хотя сегодня к ним относятся несколько легкомысленно, не потеряли своей ценности), мы не были бы обязаны выдвигать какую-либо гипотезу, кроме гипотезы об упругих колебаниях среды, не решая заранее ничего относительно природы и направления колебаний.

Эта среда, естественно — поскольку она существует в том, что мы называем пустотой, — считалась бы невесомой. Ее можно сравнить с флюидом пренебрежимо малой массы — поскольку она не оказывает заметного сопротивления движению планет, — но наделенным огромной упругостью, потому что скорость распространения света значительна. Она должна быть способна проникать во все прозрачные тела и сохранять там, так сказать, постоянную упругость, но должна там конденсироваться, поскольку скорость распространения в этих телах меньше, чем в вакууме. Такие свойства не принадлежат ни одному материальному газу, даже самому разреженному, но они не допускают никакого существенного противоречия, и это важный момент.

Именно изучение явлений поляризации привело Френеля к его смелой концепции поперечных колебаний и впоследствии побудило его проникнуть глубже в строение эфира. Мы знаем эксперимент Араго по неинтерференции поляризованных лучей в прямоугольных плоскостях. В то время как две системы волн, исходящие из одного и того же источника естественного света и распространяющиеся в почти параллельных направлениях, усиливаются или уничтожаются в зависимости от того, являются ли знаки наложенных волн одинаковыми или противоположными, волны лучей, поляризованных в перпендикулярных плоскостях, напротив, никогда не могут интерферировать друг с другом. Какова бы ни была разница в их ходе, интенсивность света всегда является суммой интенсивностей двух лучей.

Френель понял, что этот эксперимент абсолютно заставляет нас отвергнуть гипотезу продольных колебаний, действующих вдоль линии распространения в направлении лучей. Чтобы объяснить это, необходимо, напротив, признать, что колебания являются поперечными и перпендикулярными лучу. Верде мог по праву сказать: «Невозможно отрицать поперечное направление световых колебаний, не отрицая в то же время, что свет состоит из волнообразного движения».

Такие колебания не существуют и не могут существовать ни в какой среде, напоминающей флюид. Характеристика флюида заключается в том, что его различные части могут перемещаться относительно друг друга без возникновения какой-либо реакции, пока не происходит изменения объема. Конечно, могут существовать, как мы видели, некоторые следы жесткости в жидкости, но мы не можем представить себе такое в теле, бесконечно более тонком, чем разреженный газ. Среди материальных тел только твердое тело действительно обладает жесткостью, достаточной для возникновения внутри него поперечных колебаний и для их поддержания во время распространения.

Поскольку мы должны приписать такое свойство эфиру, мы можем добавить, что в этом отношении он напоминает твердое тело, и лорд Кельвин показал, что это твердое тело было бы гораздо более жестким, чем сталь. Этот вывод вызывает большое удивление у всех, кто слышит его впервые, и нередко к нему апеллируют как к аргументу против реального существования эфира. Однако не кажется, что такой аргумент может быть решающим. Нет причин предполагать, что эфир должен быть своего рода продолжением тел, с которыми мы привыкли обращаться. Его свойства могут удивлять наш обычный образ мышления, но это довольно ненаучное удивление не является причиной для сомнения в его существовании. Реальные трудности появились бы только в том случае, если бы мы были вынуждены приписать эфиру не своеобразные свойства, которые редко встречаются вместе в одном и том же веществе, а логически противоречивые свойства. Короче говоря, как бы странно ни казалась нам такая среда, нельзя сказать, что существует какое-либо абсолютное несовместимость между ее атрибутами.

Было бы даже возможно, если бы мы захотели, предложить образы, способные представить эти противоположные проявления. Различные авторы делали это. Так, М. Буссинеск предполагает, что эфир ведет себя как очень разреженный газ по отношению к небесным телам, потому что последние движутся, будучи погруженными в него, во всех направлениях и относительно медленно, в то время как они позволяют ему сохранять, так сказать, свою идеальную однородность. С другой стороны, его собственные колебания настолько быстры, что, что касается их, условия становятся очень разными, и его текучесть, можно сказать, уже не успевает проявиться. Отсюда видна только его жесткость.

Другое следствие, очень важное в принципе, того факта, что колебания света являются поперечными, было хорошо продемонстрировано Френелем. Он показал, как мы должны, чтобы понять действие, которое возбуждает без конденсации скольжение последовательных слоев эфира во время распространения колебания, рассматривать вибрирующую среду как состоящую из молекул, разделенных конечными расстояниями. Некоторые авторы, правда, предложили теории, в которых действие на расстоянии этих молекул заменяется действиями контакта между параллелепипедами, скользящими друг по другу; но, по сути, обе эти точки зрения приводят нас к представлению об эфире как о прерывистой среде, подобной самой материи. Идеи, почерпнутые из самых последних экспериментов, также приводят нас к тому же выводу.

§ 2. ИЗЛУЧЕНИЯ

В эфире, таким образом устроенном, распространяются поперечные колебания, относительно которых все эксперименты в оптике дают очень точную информацию. Амплитуда этих колебаний чрезвычайно мала, даже по отношению к длине волны, малыми, как они есть. Если бы, на самом деле, амплитуда колебаний приобрела заметную величину по сравнению с длиной волны, скорость распространения должна была бы увеличиваться с амплитудой. Тем не менее, несмотря на некоторые любопытные эксперименты, которые, по-видимому, устанавливают, что скорость света немного изменяется с его интенсивностью, у нас есть основания полагать, что, что касается света, амплитуда колебаний по отношению к длине волны несравненно меньше, чем в случае звука.

Вошло в обычай характеризовать каждое колебание путем пути, который вибрирующее движение проходит за время колебания — одним словом, длиной волны — а не длительностью самого колебания. Для измерения длин волн должны применяться методы, на которые я уже намекал по поводу измерений длины. Профессор Майкельсон, с одной стороны, и ММ. Перо и Фабри, с другой, разработали чрезвычайно остроумные процессы, которые привели к результатам действительно нежданной точности. Очень точное знание скорости распространения света также позволяет вычислить длительность колебания, когда длина волны уже известна. Таким образом, установлено, что в случае видимого света число колебаний от конца фиолетового до инфракрасного варьируется от четырехсот до двухсот миллиардов в секунду. Эта гамма, однако, не единственная, которую может дать эфир. Долгое время мы знали ультрафиолетовые излучения, еще более быстрые, и, с другой стороны, инфракрасные, более медленные, в то время как за последние несколько лет область известных излучений была необычайно расширена в обоих направлениях.

Именно М. Рубенсу и его сотрудникам принадлежат самые блестящие завоевания в области больших длин волн. Он заметил, что в их изучении трудность исследования проистекает из того факта, что крайние волны инфракрасного спектра содержат лишь малую часть общей энергии, излучаемой раскаленным телом; так что если для целей изучения они дополнительно диспергируются призмой или решеткой, интенсивность в любой одной точке становится настолько слабой, что ее уже невозможно наблюдать. Его оригинальная идея заключалась в том, чтобы получить без призмы или решетки однородный пучок большой длины волны, достаточно интенсивный для исследования. Для этой цели в качестве источника излучения использовалась полоска платины, покрытая фтористым кальцием или порошкообразным кварцем, которая испускает многочисленные излучения вблизи двух полос линейного поглощения в спектрах поглощения фтористого кальция и кварца, одна из которых расположена в инфракрасной области. Излучения, таким образом испускаемые, несколько раз отражаются на фтористом кальции или на кварце, в зависимости от случая; и поскольку вблизи полос поглощение имеет порядок поглощения металлических тел для световых лучей, мы уже не встречаем в пучке, отраженном несколько раз, или в лучах, остающихся после этого рода фильтрации, ничего, кроме излучений большой длины волны. Так, например, в случае кварца, в окрестности излучения, соответствующего длине волны 8,5 микрон, поглощение в тридцать раз больше в области полосы, чем в соседней области, и, следовательно, после трех отражений, в то время как соответствующие излучения не будут ослаблены, соседние волны будут таковыми, напротив, в пропорции от 1 до 27 000.

С зеркалами из каменной соли и сильвина были получены, взяв в качестве источника свет раскаленного газа (Ауэр), излучения, простирающиеся до 70 микрон; и эти последние являются самыми большими длинами волн, наблюдаемыми в оптических явлениях. Эти излучения в значительной степени поглощаются парами воды, и, несомненно, благодаря этому поглощению они не обнаруживаются в солнечном спектре. С другой стороны, они легко проходят через гуттаперчу, индийскую резину и изоляционные вещества в целом.

На противоположном конце спектра знание ультрафиолетовых областей было значительно расширено исследованиями Ленарда. Эти чрезвычайно быстрые излучения, как показал этот выдающийся физик, возникают в свете электрических искр, которые вспыхивают между двумя металлическими точками и которые производятся большой индукционной катушкой с конденсатором и прерывателем Венгельта. Профессору Шуману удалось сфотографировать их, нанеся бромид серебра непосредственно на стеклянные пластинки без закрепления его желатином; и он тем же процессом сфотографировал в спектре водорода луч с длиной волны всего 0,1 микрона.

Спектроскоп был полностью сформирован из плавикового шпата, и в нем был создан вакуум, ибо эти излучения чрезвычайно поглощаются воздухом.

Несмотря на чрезвычайную малость световых длин волн, удалось, после многочисленных безуспешных попыток, получить стоячие волны, аналогичные тем, которые в случае звука производятся в органных трубах. Хорошо известно чудесное применение, которое М. Липпман сделал из этих волн, чтобы полностью решить проблему цветной фотографии. Это открытие, столь важное само по себе и столь поучительное, поскольку оно показывает нам, как самые тонкие предвидения теории могут быть проверены во всех своих следствиях и привести физика к решению проблем, возникающих на практике, по праву стало популярным, и поэтому нет необходимости описывать его здесь подробно.

Профессор Винер получил стоячие волны за некоторое время до открытия М. Липпмана в слое чувствительного вещества, имеющего зерно, достаточно малое по отношению к длине волны. Его целью было решить вопрос, имеющий большое значение для полного знания эфира. Френель основал свою теорию двойного лучепреломления и отражения прозрачными поверхностями на гипотезе о том, что колебание луча поляризованного света перпендикулярно плоскости поляризации. Но Нейман предложил, напротив, теорию, в которой он признает, что световое колебание находится в этой самой плоскости. Он скорее предполагает, в противовес идее Френеля, что плотность эфира остается одинаковой во всех средах, в то время как его коэффициент упругости переменен.

Очень замечательные эксперименты по дисперсии М. Карвалло доказывают, действительно, что идея Френеля была, если не необходимой для нас, чтобы принять ее, по крайней мере, более вероятной из двух; но помимо этого указания, и вопреки гипотезе Неймана, две теории, с точки зрения объяснения всех известных фактов, действительно кажутся эквивалентными. Находимся ли мы тогда в присутствии двух механических объяснений, действительно разных, но тем не менее оба адаптируемых ко всем фактам, и между которыми всегда будет невозможно сделать выбор? Или, напротив, удастся ли нам реализовать experimentum crucis, эксперимент в точке, где пересекаются две теории, который окончательно решит вопрос?

Профессор Винер думал, что может сделать из своего эксперимента твердый вывод по спорному пункту. Он создал стоячие волны со светом, поляризованным под углом 45°, и установил, что, когда свет поляризован в плоскости падения, полосы сохраняются; но что, с другой стороны, они исчезают, когда свет поляризован перпендикулярно этой плоскости. Если допустить, что фотографическое впечатление является результатом активной силы вибрирующего движения эфира, вопрос, по сути, полностью прояснен, и расхождение устранено в пользу Френеля.

М. А. Пуанкаре, однако, указал, что мы ничего не знаем о механизме фотографического впечатления. Мы не можем считать очевидным, что именно кинетическая энергия эфира производит разложение чувствительной соли; и если, напротив, мы предположим, что это происходит из-за потенциальной энергии, все выводы меняются на противоположные, и идея Неймана торжествует.

Недавно очень умный физик, М. Коттон, особенно известный своими искусными исследованиями в области оптики, заново занялся изучением стоячих волн. Он провел очень точные количественные эксперименты и продемонстрировал, в свою очередь, что невозможно, даже со сферическими волнами, определить, от какого из двух векторов, которые должны рассматриваться во всех теориях света по вопросу явлений поляризации, действительно зависят световая интенсивность и химическое действие. Этот вопрос, следовательно, больше не существует для тех физиков, которые признают, что световые колебания являются электрическими осцилляциями. Какова бы ни была сформированная гипотеза, будь то электрическая сила или, напротив, магнитная сила, которую мы помещаем в плоскость поляризации, предвиденный способ распространения всегда будет в согласии с наблюдаемыми фактами.

§ 3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭФИР

Идея приписывания явлений электричества возмущениям, производимым в среде, которая передает свет, уже давно существует; и физики, которые были свидетелями триумфа теорий Френеля, не могли не предположить, что этот флюид, который заполняет все пространство и проникает во все тела, может также играть преобладающую роль в электрических действиях. Некоторые даже сформировали слишком поспешные гипотезы по этому пункту; ибо час еще не пробил, когда можно было бы поместить их на достаточно прочную основу, и известные факты были недостаточно многочисленны, чтобы дать необходимую точность.

Основатели современной электрической науки также сочли более мудрым принять в отношении этой науки позицию, занятую Ньютоном в связи с гравитацией: «Прежде всего наблюдать факты, варьировать обстоятельства этих фактов как можно больше, сопровождать эту первую работу точными измерениями, чтобы вывести из них общие законы, основанные исключительно на эксперименте, и вывести из этих законов, независимо от всех гипотез о природе сил, производящих явления, математическую величину этих сил — то есть формулу, их представляющую. Такова была система, которой следовал Ньютон. Она была в целом принята во Франции учеными, которым физика обязана большим прогрессом, сделанным в последние годы, и она служила мне руководством во всех моих исследованиях электродинамических явлений... Именно по этой причине я избегал говорить об идеях, которые у меня могут быть относительно природы причины силы, исходящей от вольтовых проводников».

Так выражался Ампер. Выдающийся физик справедливо считал результаты, полученные им при следовании этому мудрому методу, достойными сравнения с законами притяжения; но он знал, что когда эта первая остановка была достигнута, нужно было идти дальше и что эволюция идей должна обязательно продолжаться.

«С какой бы физической причиной, — добавляет он, — мы ни хотели связать явления, производимые электродинамическим действием, полученная мною формула всегда останется выражением фактов», и он прямо указал, что если бы удалось вывести его формулу из рассмотрения колебаний флюида, распределенного в пространстве, был бы сделан огромный шаг в этом отделе физики. Он добавил, однако, что это исследование казалось ему преждевременным и ничего бы не изменило в результатах его работы, поскольку, чтобы соответствовать фактам, принятая гипотеза всегда должна была бы соглашаться с формулой, которая точно их представляет.

Не лишено интереса наблюдать, что сам Ампер, несмотря на свою осторожность, действительно сформировал некоторые гипотезы и признал, что электрические явления управляются законами механики. Тем не менее принципы Ньютона тогда казались непоколебимыми.

Фарадей был первым, кто продемонстрировал ясным экспериментом влияние сред в электричестве и магнитных явлениях, и он приписал это влияние определенным модификациям в эфире, которые эти среды заключают в себе. Его фундаментальной концепцией было отвержение действия на расстоянии и локализация в эфире энергии, эволюция которой является причиной проявляющихся действий, как, например, при разряде конденсатора.

Рассмотрим цилиндр насоса, помещенный в вакуум и закрытый поршнем с каждого конца, и введем между ними определенную массу воздуха. Два поршня, благодаря упругой силе газа, отталкивают друг друга с силой, которая, согласно закону Мариотта, изменяется в обратной пропорции к расстоянию. Метод, которому отдавал предпочтение Ампер, прежде всего позволил бы открыть этот закон отталкивания между двумя поршнями, даже если бы существование газа, заключенного в цилиндре насоса, не подозревалось; и тогда было бы естественно локализовать потенциальную энергию системы на поверхности двух поршней. Но если явление исследовать более тщательно, мы обнаружим присутствие воздуха, и мы поймем, что каждая часть объема этого воздуха могла бы, если бы ее откачали в сосуд равного объема, унести с собой часть энергии системы, и что, следовательно, эта энергия принадлежит действительно воздуху, а не поршням, которые существуют исключительно для того, чтобы позволить этой энергии проявить свое существование.

Фарадей сделал, в некотором роде, эквивалентное открытие, когда понял, что электрическая энергия принадлежит не обкладкам конденсатора, а диэлектрику, который их разделяет. Его смелые взгляды открыли ему новый мир, но для исследования этого мира требовался более верный и терпеливый метод.

Максвеллу удалось точно сформулировать некоторые пункты идей Фарадея, и он придал им математическую форму, которая, часто ошибочно, впечатляет физиков, но которая, когда она точно заключает в себе теорию, является верным доказательством того, что эта теория по крайней мере связна и логична.

Работа Максвелла чрезмерно проработана, сложна, трудна для чтения и часто плохо понята даже в наши дни. Максвелла больше заботит выяснение того, возможно ли дать объяснение электрических и магнитных явлений, которое основывалось бы на механических свойствах единой среды, чем изложение этого объяснения в точных терминах. Он осознает, что если бы нам удалось построить такую интерпретацию, было бы легко предложить бесконечное множество других, полностью эквивалентных с точки зрения экспериментально проверяемых следствий; и его особая амбиция, следовательно, состоит в том, чтобы извлечь из предпосылок общий взгляд и поставить в доказательство нечто, что оставалось бы общим достоянием всех теорий.

Ему удалось показать, что если электростатическую энергию электромагнитного поля считать представляющей потенциальную энергию, а его электродинамическую — кинетическую энергию, становится возможным удовлетворить как принципу наименьшего действия, так и принципу сохранения энергии; с этого момента — если мы устраним несколько трудностей, которые существуют относительно устойчивости решений — возможность нахождения механических объяснений электромагнитных явлений должна считаться доказанной. Ему удалось, более того, точно сформулировать понятие двух электрических и магнитных полей, которые производятся во всех точках пространства и которые строго взаимосвязаны, поскольку изменение одного немедленно и принудительно порождает другое.

Из этой гипотезы он вывел, что в среде, где локализована эта энергия, электромагнитная волна распространяется со скоростью, равной отношению единиц электрической массы в электромагнитной и электростатической системах. Теперь эксперименты, ставшие известными с его времени, доказали, что это отношение численно равно скорости света, и более точные эксперименты, проведенные впоследствии — среди которых следует упомянуть особенно тщательные эксперименты М. Макса Абрахама — только сделали совпадение еще более полным.

Естественно впредь предполагать, что эта среда идентична световому эфиру и что световая волна является электромагнитной волной — то есть последовательностью переменных токов, которые существуют в диэлектрике и даже в пустоте и обладают огромной частотой, поскольку они меняют свое направление тысячи миллиардов раз в секунду и по причине этой частоты производят значительные индукционные эффекты. Максвелл не допускал существования разомкнутых токов. По его мнению, следовательно, электрическое колебание не могло производить конденсации электричества. Оно было, следовательно, обязательно поперечным и таким образом совпадало с колебанием Френеля; в то время как соответствующее магнитное колебание было перпендикулярно ему и совпадало бы со световым колебанием Неймана.

Теория Максвелла таким образом устанавливает тесную корреляцию между явлениями световых и электромагнитных волн, или, мы могли бы даже сказать, полную идентичность двух. Но из этого не следует, что мы должны рассматривать изменение электрического поля, произведенное в какой-то одной точке, как обязательно состоящее из реального смещения эфира вокруг этой точки. Идея таким образом свести электрические явления к механике эфира, следовательно, не навязывается нам, и противоположная идея даже кажется более вероятной. Это не оптика Френеля поглощает науку об электричестве, это скорее оптика, которая поглощается более общей теорией. Попытки популяризаторов, которые стремятся представить во всех деталях механизм электрических явлений, таким образом кажутся достаточно тщетными и даже пурильными. Бесполезно выяснять, с каким материальным телом можно сравнить эфир, если мы довольствуемся тем, что видим в нем среду, свойства которой в каждой точке определяют два вектора.

Долгое время, следовательно, мы могли заметить, что теория Френеля просто предполагала среду, в которой распространялось нечто периодическое, без необходимости признавать это нечто движением; но нам пришлось ждать не только Максвелла, но и Герца, прежде чем эта идея приняла действительно научную форму. Герц настаивал на том факте, что шесть уравнений электрического поля позволяют предвидеть все явления без необходимости конструировать ту или иную гипотезу, и он придал этим уравнениям очень симметричную форму, которая полностью выявляет идеальную взаимность между электрическими и магнитными действиями. Он сделал еще больше, ибо принес идеям Максвелла самое поразительное подтверждение своими памятными исследованиями электрических осцилляций.

§ 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛЯЦИИ

Эксперименты Герца хорошо известны. Мы знаем, как боннский физик развил с помощью осциллирующих электрических разрядов токи смещения и индукционные эффекты во всем пространстве вокруг искрового промежутка; и как он возбудил индукцией в некоторой точке провода возмущение, которое впоследствии распространяется вдоль провода, и как резонатор позволил ему обнаружить произведенный эффект.

Самый важный момент, ставший очевидным при наблюдении явлений интерференции и впоследствии подтвержденный непосредственно М. Блондло, заключается в том, что электромагнитное возмущение распространяется со скоростью света, и этот результат навсегда осуждает все гипотезы, которые не приписывают никакой роли промежуточным средам в распространении явления индукции.

Если бы индуцирующее действие, на самом деле, действовало непосредственно между индуцирующей и индуцируемой цепями, распространение должно было бы быть мгновенным; ибо если бы возник интервал между моментом, когда причина подействовала, и тем, когда эффект был произведен, в течение этого интервала нигде больше ничего не было бы, поскольку промежуточная среда не вступает в игру, и явление тогда исчезло бы.

Оставляя в стороне многочисленные, но чисто электрические следствия этого, а также многочисленные исследования, относящиеся к получению или свойствам волн — некоторые из которых, а именно работы ММ. Сарразена и де ла Рива, Риги, Тюрпена, Лебедева, Декомба, Барбийона, Друде, Гюттона, Ламотта, Лехера и др., тем не менее, являются первоклассными, — я упомяну здесь лишь те исследования, которые были направлены, в частности, на установление тождества электромагнитных и световых волн.

Единственные различия, которые сохраняются, неизбежно обусловлены значительным расхождением между длительностями периодов этих двух категорий волн. Длина волны, соответствующая первому искровому промежутку Герца, составляла около 6 метров, а самые длинные волны, воспринимаемые сетчаткой, равны 7/10 микрона.

Эти излучения настолько далеки друг от друга, что неудивительно, что их свойства не имеют полного сходства. Таким образом, явления, подобные дифракции, которые пренебрежимо малы в обычных условиях наблюдения света, могут здесь приобретать преобладающее значение. Чтобы, например, сыграть с герцевыми волнами ту же роль, которую зеркало размером в 1 квадратный миллиметр играет по отношению к свету, потребовалось бы колоссальное зеркало, достигающее размеров в квадратный мириаметр.

Усилия физиков сегодня, однако, в значительной степени заполнили этот интервал, и они одновременно с обоих берегов трудились над тем, чтобы построить мост между двумя областями. Мы видели, как Рубенс показал нам тепловые лучи длиной 60 метров; с другой стороны, ММ. Лехер, Бозе и Лампа один за другим преуспели в постепенном получении колебаний со все более короткими периодами. Были получены и сейчас изучаются электромагнитные волны длиной четыре миллиметра; и разрыв, сохраняющийся в спектре между лучами, не обнаруженными с помощью сильвина, и излучениями М. Лампы, теперь едва ли составляет более пяти октав — то есть интервал, заметно равный тому, который отделяет лучи, наблюдавшиеся М. Рубенсом, от последних, видимых глазу.

Аналогия тогда становится весьма близкой, и в оставшихся лучах начинают проявляться свойства, так сказать, характерные для герцевых волн. Для этих волн, как мы видели, наиболее прозрачные тела являются наиболее совершенными электрическими изоляторами, в то время как тела, все еще слегка проводящие, совершенно непрозрачны. Показатель преломления этих веществ в случае больших длин волн стремится, как и предсказывает теория, стать почти равным квадратному корню из диэлектрической постоянной.

ММ. Рубенс и Николс даже воспроизвели с оставшимися волнами явления электрического резонанса, весьма похожие на те, которые итальянский ученый М. Гарбассо получил с электрическими волнами. Этот физик показал, что если направить электрические волны на плоскую деревянную подставку, на которой расположен ряд параллельных друг другу и равномерно расставленных резонаторов, то эти волны почти не отражаются, за исключением случая, когда резонаторы имеют тот же период, что и искровой промежуток. Если направить оставшиеся лучи на стеклянную пластинку, посеребренную и разделенную алмазом, закрепленным на делительной машине, на маленькие прямоугольники равных размеров, то будут наблюдаться изменения отражательной способности в зависимости от ориентации прямоугольников в условиях, полностью сопоставимых с экспериментом Гарбассо.

Для того чтобы явление проявилось, необходимо, чтобы оставшиеся волны были предварительно поляризованы. Это происходит потому, что, по сути, механизм, используемый для создания электрических колебаний, очевидно, испускает вибрации, которые происходят в одной плоскости и впоследствии поляризуются.

Поэтому мы не можем полностью отождествить излучение, исходящее от искрового промежутка, с лучом естественного света. Чтобы синтез света был реализован, должны быть соблюдены и другие условия. Во время светового впечатления направление и фаза меняются миллионы раз в вибрации, чувствительной для сетчатки, однако затухание этой вибрации происходит очень медленно. При герцевых колебаниях все эти условия меняются — затухание очень быстрое, но направление остается неизменным.

Всякий раз, однако, когда мы имеем дело с общими явлениями, которые не зависят от этих особых условий, параллелизм является полным; и с помощью волн мы продемонстрировали отражение, преломление, полное отражение, двойное отражение, вращательную поляризацию, дисперсию и обычные интерференции, создаваемые лучами, распространяющимися в одном направлении и пересекающимися под очень острым углом, или интерференции, аналогичные тем, которые Винер наблюдал с лучами противоположного направления.

Очень важным следствием электромагнитной теории, предвиденным Максвеллом, является то, что световые волны, падающие на поверхность, должны оказывать на эту поверхность давление, равное лучистой энергии, существующей в единице объема окружающего пространства. М. Лебедев несколько лет назад позволил пучку лучей от дуговой лампы упасть на отклоняющий радиометр и таким образом сумел обнаружить существование этого давления. Его величина достаточна в случае материи малой плотности и мелкодисперсного состояния, чтобы уменьшить и даже превратить в отталкивание притяжение, оказываемое на тела Солнцем. Это факт, ранее предполагавшийся Фэ, и он, безусловно, должен играть большую роль в деформации голов комет.

Совсем недавно ММ. Николс и Халл предприняли эксперименты по этому вопросу. Они измерили не только давление, но и энергию излучения с помощью специального болометра. Таким образом, они пришли к численным подтверждениям, которые полностью соответствуют расчетам Максвелла.

Существование этих давлений можно предвидеть и помимо электромагнитной теории, добавив к теории волн принципы термодинамики. Бартоли, а совсем недавно доктор Лармор, показали, по сути, что если бы эти давления не существовали, было бы возможно без какого-либо другого явления передать тепло от холодного тела к теплому и, таким образом, нарушить принцип Карно.

§ 5. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

Сегодня представляется весьма вероятным, что рентгеновские лучи следует классифицировать среди явлений, местом действия которых является светоносный эфир. Несомненно, нет необходимости напоминать здесь, как в декабре 1895 года Рентген, обернув работающую трубку Крукса черной бумагой, заметил, что флуоресцирующий экран из платиноцианида бария, помещенный поблизости, стал виден в темноте, а фотопластинка получила отпечаток. Лучи, исходящие из трубки в условиях, ныне хорошо известных, не отклоняются магнитом, и, как убедительно показали М. Кюри и М. Саньяк, они не несут электрического заряда. Они не подвержены ни отражению, ни преломлению, и очень точные и остроумные измерения М. Гуи показали, что в их случае показатель преломления различных тел не может отличаться от единицы более чем на миллионную долю.

Мы с самого начала знали, что существуют различные рентгеновские лучи, отличающиеся друг от друга, как, например, цвета спектра, и они различаются между собой неодинаковой способностью проходить сквозь вещества. М. Саньяк, в частности, показал, что можно получить постепенно убывающую шкалу более или менее поглощаемых лучей, так что большая часть их фотографического действия задерживается простым листом черной бумаги. Эти лучи фигурируют среди вторичных лучей, открытых, как известно, этим остроумным физиком. Рентгеновские лучи, падающие на материю, таким образом, подвергаются преобразованиям, которые можно сравнить с теми, что явления люминесценции производят на ультрафиолетовые лучи.

М. Бенуа основал на прозрачности материи для лучей надежный и практичный метод, позволяющий их различать, и таким образом смог определить специфический характер, аналогичный цвету световых лучей. Вероятно также, что разные лучи не переносят индивидуально одинаковое количество энергии. Мы еще не получили по этому вопросу точных результатов, но примерно известно, со времен экспериментов ММ. Резерфорда и Мак-Кланга, какое количество энергии соответствует пучку рентгеновских лучей. Эти физики обнаружили, что это количество в среднем в пятьсот раз больше того, которое приносится аналогичным пучком солнечного света на поверхность Земли. Какова природа этой энергии? Вопрос, по-видимому, еще не решен.

Безусловно, кажется, согласно профессорам Хага и Винду и профессору Зоммерфельду, что с рентгеновскими лучами можно проводить любопытные эксперименты по дифракции. Доктор Баркла также показал, что они могут проявлять истинную поляризацию. Вторичные лучи, испускаемые металлической поверхностью при ударе о них рентгеновских лучей, фактически меняются по интенсивности при изменении положения плоскости падения вокруг первичного пучка. Различные физики пытались измерить скорость распространения, но кажется все более вероятным, что она очень близка к скорости света.

Я должен здесь опустить описание множества других экспериментов. Некоторые очень интересные исследования М. Брюнеса, М. Брока, М. Колардо, М. Виллара во Франции и многих других за рубежом позволили прояснить несколько интересных проблем, касающихся продолжительности излучения или наилучшего расположения, которое следует принять для получения лучей. Единственный момент, который нас задержит, — это важный вопрос о природе самих рентгеновских лучей; свойства, которые только что были упомянуты, являются теми, которые кажутся существенными и с которыми должна считаться любая теория.

Самой естественной гипотезой было бы рассматривать лучи как ультрафиолетовые излучения очень короткой длины волны или излучения, которые являются в некотором роде ультра-ультрафиолетовыми. Эта интерпретация может быть поддержана и в настоящий момент, а исследования ММ. Бюиссона, Риги, Ленарда и Мерритта Стюарта даже установили, что лучи очень коротких длин волн производят на металлических проводниках, с точки зрения электрических явлений, эффекты, вполне аналогичные эффектам рентгеновских лучей. Другое сходство вытекает также из экспериментов, с помощью которых М. Перро установил, что эти лучи воздействуют на электрическое сопротивление селена. Новые и ценные аргументы таким образом придали силу тем, кто склоняется к теории, имеющей достоинство включения нового явления в круг ранее известных явлений.

Тем не менее, самые короткие ультрафиолетовые излучения, такие как излучения М. Шумана, все еще способны преломляться кварцем, и это различие составляет, по мнению многих физиков, достаточно серьезную причину, чтобы решить отвергнуть более простую гипотезу. Более того, лучи Шумана, как мы видели, необычайно поглощаемы — настолько, что их приходится наблюдать в вакууме. Самым поразительным свойством рентгеновских лучей является, напротив, легкость, с которой они проходят сквозь препятствия, и невозможно не придавать большого значения такому различию.

Некоторые приписывают это удивительное излучение продольным колебаниям, которые, как показал М. Дюэм, распространялись бы в диэлектрических средах со скоростью, равной скорости света. Но наиболее общепринятой идеей является та, которая была сформулирована с самого начала сэром Джорджем Стоксом и развита профессором Вихертом. Согласно этой теории, рентгеновские лучи должны быть обусловлены последовательностью независимых пульсаций эфира, исходящих из точек, где молекулы, выброшенные катодом трубки Крукса, встречают антикатод. Эти пульсации не являются непрерывными колебаниями, подобными излучениям спектра; они изолированы и чрезвычайно коротки; они, кроме того, поперечны, подобно волнам света, и теория показывает, что они должны распространяться со скоростью света. Они не должны представлять ни преломления, ни отражения, но при определенных условиях могут быть подвержены явлениям дифракции. Все эти характеристики обнаруживаются в рентгеновских лучах.

Профессор Дж. Дж. Томсон принимает аналогичную идею и уточняет способ, которым пульсации могут быть созданы в момент, когда наэлектризованные частицы, образующие катодные лучи, внезапно ударяются о стенку антикатода. Электромагнитная индукция ведет себя таким образом, что магнитное поле не уничтожается, когда частица останавливается, и новое созданное поле, которое больше не находится в равновесии, распространяется в диэлектрике как электрическая пульсация. Электрические и магнитные пульсации, возбуждаемые этим механизмом, могут порождать эффекты, подобные эффектам света. Их малая амплитуда, однако, является причиной того, что здесь нет ни явлений преломления, ни дифракции, за исключением очень особых условий. Если катодная частица не останавливается за нулевое время, пульсация приобретет большую амплитуду и, следовательно, будет легче поглощаемой; к этому, вероятно, следует отнести различия, которые могут существовать между разными трубками и разными лучами.

Справедливо добавить, что некоторые авторы, несмотря на доказанную невозможность их отклонения в магнитном поле, не отказались от идеи сравнения их с катодными лучами. Они предполагают, например, что лучи образованы электронами, движущимися с такой большой скоростью, что их инерция, в соответствии с теориями, которые я рассмотрю позже, больше не позволяет им быть остановленными на своем пути; это, например, теория, поддерживаемая г-ном Сазерлендом. Мы знаем также, что для М. Гюстава Ле Бона они представляют собой крайний предел материальных вещей, одну из последних стадий перед исчезновением материи при ее возвращении в эфир.

Все слышали об N-лучах, название которых напоминает город Нанси, где они были открыты. В некоторых своих своеобразных свойствах они сродни рентгеновским лучам, в то время как в других они сильно от них отличаются.

М. Блондло, один из мастеров современной физики, глубоко уважаемый всеми, кто его знает, восхищаемый всеми за проницательность его ума, автор работ, замечательных оригинальностью и надежностью его метода, открыл их в излучениях, испускаемых различными источниками, такими как Солнце, лампа накаливания, лампа Нернста и даже тела, ранее подвергавшиеся воздействию солнечных лучей. Существенным свойством, позволяющим их обнаружить, является их действие на маленькую индукционную искру, яркость которой они увеличивают; это явление видно глазу и становится объективным благодаря фотографии.

Различные другие физики и множество физиологов, следуя по пути, открытому М. Блондло, опубликовали в течение 1903 и 1904 годов многочисленные, но часто довольно поспешные мемуары, в которых они излагали результаты своих исследований, которые, по-видимому, не всегда проводились с желаемой точностью. Эти результаты были весьма странными; казалось, они были призваны произвести революцию в целых областях не только физики, но и биологических наук. К сожалению, метод наблюдения всегда основывался на изменениях видимости искры или фосфоресцирующего вещества, и вскоре стало очевидно, что эти изменения не воспринимаются всеми глазами.

Ни один зарубежный экспериментатор не преуспел в повторении этих экспериментов, в то время как во Франции многие физики потерпели неудачу; и поэтому вопрос сильно взволновал общественное мнение. Стоим ли мы перед лицом весьма своеобразного случая внушения, или же для того, чтобы сделать явление очевидным, требуются специальная подготовка и особые предрасположенности? В настоящий момент невозможно объявить проблему решенной; но совсем недавние эксперименты М. Гюттона и заметка М. Маскара оживили уверенность тех, кто надеялся, что такой ученый, как М. Блондло, не мог быть введен в заблуждение видимостью. Однако эти последние доказательства в пользу существования лучей сами были оспорены и не смогли убедить всех.

Действительно, кажется весьма вероятным, что некоторые из наиболее своеобразных выводов, к которым пришли некоторые авторы по этому предмету, канут в заслуженное забвение. Но отрицательные эксперименты ничего не доказывают в подобном случае, и тот факт, что большинство экспериментаторов потерпели неудачу там, где М. Блондло и его ученики преуспели, может составлять презумпцию, но не может рассматриваться как доказательный аргумент. Поэтому нам все еще приходится ждать; весьма возможно, что прославленный физик из Нанси сумеет обнаружить объективные действия N-лучей, которые будут бесспорными, и сможет таким образом установить на прочной основе открытие, достойное тех других, которые сделали его имя столь заслуженно знаменитым.

Согласно М. Блондло, N-лучи могут быть поляризованы, преломлены и диспергированы, в то время как они имеют длины волн, заключенные между 0,0030 микрона и 0,0760 микрона — то есть между одной восьмой и одной пятой от той, что найдена для крайних ультрафиолетовых лучей. Они могли бы быть, возможно, просто лучами очень короткого периода. Их существование, лишенное паразитических и несколько своеобразных свойств, которые пытались им приписать, таким образом, казалось бы вполне естественным. Это было бы, кроме того, чрезвычайно важно и, несомненно, привело бы к самым любопытным применениям; можно представить, по сути, что такие лучи могли бы служить для выявления того, что происходит в тех частях материи, чьи слишком малые размеры ускользают от микроскопического исследования из-за явлений дифракции.

С какой бы точки зрения мы ни смотрели на это, и какова бы ни была судьба этого открытия, история N-лучей особенно поучительна и должна дать пищу для размышлений тем, кто интересуется вопросами научных методов.

§ 6. ЭФИР И ГРАВИТАЦИЯ

Поразительный успех гипотезы эфира в оптике в наши дни укрепил надежду на возможность объяснить с помощью аналогичного представления действие гравитации.

Долгое время философы, отвергавшие идею о том, что весомость является первичным и существенным качеством всех тел, стремились свести их вес к давлениям, оказываемым в очень тонкой жидкости. Такова была концепция Декарта, и, возможно, это была истинная идея самого Ньютона. Ньютон указывает во многих местах, что законы, которые он открыл, были независимы от гипотез, которые могли быть сформированы относительно того, каким образом создается всемирное притяжение, но что при достаточных экспериментах истинная причина этого притяжения может быть однажды достигнута. В предисловии ко второму изданию «Оптики» он пишет: «Чтобы доказать, что я не рассматривал вес как универсальное свойство тел, я добавил вопрос о его причине, предпочитая эту форму вопроса, потому что моя интерпретация не вполне удовлетворяет меня в отсутствие эксперимента»; и он ставит вопрос в таком виде: «Не является ли эта среда (эфир) более разреженной внутри плотных тел, таких как Солнце, планеты, кометы, чем в пустых пространствах, которые их разделяют? Переходя от этих тел к большим расстояниям, не становится ли она постоянно плотнее, и не производит ли она таким образом вес этих больших тел по отношению друг к другу и их частей по отношению к этим телам, причем каждое тело стремится покинуть наиболее плотные части ради наиболее разреженных?»

Очевидно, что этот взгляд не полон, но мы можем попытаться сформулировать его точно. Если мы допустим, что эта среда, свойства которой объяснили бы притяжение, является той же самой, что и светоносный эфир, мы можем сначала спросить себя, не обусловлено ли действие гравитации также колебаниями. Некоторые авторы пытались основать теорию на этой гипотезе, но мы немедленно сталкиваемся с очень серьезными трудностями. Гравитация, по сути, по-видимому, обладает совершенно исключительными характеристиками. Ни один агент, даже те, которые зависят от эфира, такие как свет и электричество, не оказывает никакого влияния на ее действие или ее направление. Все тела, так сказать, абсолютно прозрачны для всемирного притяжения, и ни один эксперимент не смог продемонстрировать, что ее распространение не является мгновенным. Из различных астрономических наблюдений Лаплас заключил, что ее скорость, во всяком случае, должна превышать скорость света в пятьдесят миллионов раз. Она не подвержена ни отражению, ни преломлению; она независима от структуры тел; и не только она неисчерпаема, но также (как указывает, согласно М. Аннекену, английский ученый Джеймс Кролл) распределение эффектов притягивающей силы массы по множеству частиц, которые могут последовательно входить в поле ее действия, никоим образом не уменьшает притяжение, которое она оказывает на каждую из них в отдельности, что не наблюдается больше нигде в природе.

Тем не менее, возможно, с помощью определенных гипотез построить интерпретации, посредством которых соответствующие движения упругой среды объясняли бы факты достаточно ясно. Но эти движения очень сложны, и кажется почти немыслимым, чтобы одна и та же среда могла одновременно обладать состоянием движения, соответствующим передаче светового явления, и тем, которое постоянно навязывается ей передачей гравитации.

Другая знаменитая гипотеза была разработана Лесажем из Женевы. Лесаж предполагал, что пространство во всех направлениях пронизано потоками ультрамунданных корпускул. Эта гипотеза, оспариваемая Максвеллом, интересна. Она могла бы, возможно, быть возобновлена в наши дни, и не исключено, что уподобление этих корпускул электронам могло бы дать удовлетворительный образ.

М. Кремие недавно предпринял эксперименты, направленные, как он полагает, на то, чтобы показать, что расхождения между явлениями гравитации и всеми другими явлениями в природе более кажущиеся, чем реальные. Таким образом, эволюция в сердце эфира некоторого количества гравитационной энергии не была бы полностью изолированной, и, как в случае со всеми эволюциями любой энергии, какого бы рода она ни была, она должна была бы спровоцировать частичное превращение в энергию иной формы. Таким образом, опять же, высвобожденная энергия гравитации варьировалась бы при переходе от одного материала к другому, как от газов к жидкостям или от одной жидкости к другой.

По этому последнему пункту исследования М. Кремие дали утвердительные результаты: если мы погрузим в большую массу какой-либо жидкости несколько капель другой, не смешивающейся с первой, но идентичной плотности, мы образуем массу, представляющую, несомненно, разрыв непрерывности в эфире, и мы можем спросить себя, не имеет ли эта разрывность, в соответствии с тем, что происходит во всех других явлениях природы, тенденцию к исчезновению.

Если мы будем придерживаться обычных следствий ньютоновской теории потенциала, капли должны оставаться неподвижными, так как гидростатический импульс создает точное равновесие их взаимному притяжению. Теперь М. Кремие отмечает, что, на самом деле, они медленно приближаются друг к другу.

Такие эксперименты очень деликатны; и при всех предосторожностях, принятых автором, нельзя еще утверждать, что он устранил всякую возможность действия явлений капиллярности, равно как и все возможные ошибки, проистекающие из чрезвычайно малых различий температуры. Но попытка интересна и заслуживает того, чтобы ее продолжали.

Таким образом, гипотеза эфира еще не объясняет всех явлений, которые соображения, относящиеся к материи, сами по себе бессильны интерпретировать. Если бы мы захотели представить себе с помощью механических свойств среды, заполняющей всю Вселенную, все световые, электрические и гравитационные явления, мы были бы вынуждены приписать этой среде очень странные и почти противоречивые характеристики; и все же было бы еще более немыслимо, чтобы эта среда была двойной или тройной, чтобы существовали два или три эфира, каждый из которых занимает пространство, как если бы он был один, и проникает друг в друга, не оказывая никакого действия друг на друга. Мы таким образом приходим, путем тщательного изучения фактов, скорее к идее, что свойства эфира не полностью сводимы к правилам обычной механики.

Физик, следовательно, еще не преуспел в ответе на вопрос, часто задаваемый ему философом: «Имеет ли эфир действительно объективное существование?» Однако нет необходимости знать ответ, чтобы использовать эфир. В его идеальных свойствах мы находим средства определения формы уравнений, которые являются верными, и для ученого, свободного от всякой метафизической предвзятости, это является существенным моментом.

ГЛАВА VII

ГЛАВА ИЗ ИСТОРИИ НАУКИ: БЕСПРОВОДНАЯ ТЕЛЕГРАФИЯ

§ 1

Я стремился в этой книге беспристрастно изложить идеи, доминирующие в данный момент в области физики, и сделать известными факты, существенные для них. Мне пришлось цитировать авторов основных открытий, чтобы иметь возможность классифицировать и, в некотором роде, назвать эти открытия; но я никоим образом не претендую на то, чтобы написать даже краткую историю физики наших дней.

Я не могу не знать, что, как часто говорили, современную историю писать труднее всего. Необходим определенный шаг назад, чтобы позволить нам правильно оценить относительную важность событий, а детали скрывают полный вид от глаз, которые находятся слишком близко к ним, как деревья мешают нам видеть лес. Событие, которое производит большую сенсацию, часто имеет лишь незначительные последствия; в то время как другое, которое казалось поначалу наименее важным и мало заслуживающим внимания, в конечном счете оказывает широкое и глубокое влияние.

Если, однако, мы имеем дело с историей позитивного открытия, современники, которые обладают непосредственной информацией и находятся в положении, позволяющем собрать достоверные свидетельства из первых рук, сделают, привнеся в это свое искреннее свидетельство, труд эрудиции, который может быть очень полезным, но который мы можем быть склонны рассматривать как очень легкий в исполнении. И все же такой труд, даже ограниченный изучением очень мелкого вопроса или недавнего изобретения, далек от того, чтобы быть выполненным без того, чтобы историк не споткнулся о серьезные препятствия.

Изобретение никогда, в действительности, не должно приписываться одному автору. Оно является результатом работы многих сотрудников, которые иногда не знакомы друг с другом, и часто является плодом неясных трудов. Общественное мнение, однако, намеренно простое перед лицом сенсационного открытия, настаивает на том, чтобы историк также действовал как судья; и задача историка — распутать истину посреди спора и безошибочно объявить, кому должна быть выражена благодарность человечества. Он должен, в своем качестве квалифицированного эксперта, разоблачать пиратство, обнаруживать наиболее тщательно скрытый плагиат и обсуждать деликатный вопрос приоритета; при этом он не должен быть введен в заблуждение теми, кто не боится объявлять смелыми акцентами, что они решили проблемы, решение которых они находят неизбежным, и кто на следующий день после их окончательного разъяснения третьими лицами провозглашает себя их истинными первооткрывателями. Он должен подняться над пристрастностью, которая считает себя извинительной, потому что она проистекает из национальной гордости; и, наконец, он должен с терпением искать то, что было до этого. Отступая таким образом шаг за шагом, он рискует потеряться в ночи времен.

Пример вчерашнего дня, кажется, показывает трудности такой задачи. Среди недавних открытий изобретение беспроводной телеграфии является одним из тех, которые быстро стали популярными и выглядят, так сказать, точным предметом, четко обозначенным. Многие попытки уже были предприняты, чтобы написать его историю. Г-н Дж. Дж. Фахи опубликовал в Англии еще в 1899 году интересную работу под названием «История беспроводной телеграфии»; и примерно в то же время М. Брок опубликовал во Франции очень исчерпывающую работу под названием «Беспроводная телеграфия». Среди докладов, представленных на Международном конгрессе физики (Париж, 1900 г.), синьор Риги, выдающийся итальянский ученый, чьи личные усилия в значительной степени способствовали изобретению современной системы телеграфии, посвятил главу, короткую, но достаточно полную, своего мастерского доклада о герцевых волнах истории беспроводной телеграфии. Тот же автор в сотрудничестве с г-ном Бернхардом Дессау также написал более важную работу «Беспроводная телеграфия»; и «Беспроводная телеграфия и электрические волны» ММ. Ж. Буланже и Ж. Феррье также могут быть с пользой изучены, как и «Беспроводная телеграфия» синьора Доминико Мазотто. Совсем недавно г-н А. Стори дал нам в небольшом томе под названием «История беспроводной телеграфии» сжатое, но очень точное резюме всех попыток, которые были предприняты для установления телеграфной связи без посредничества проводящего провода. Г-н Стори изучил многие документы, иногда выявлял любопытные факты и изучал даже самые недавно принятые аппараты.

Может быть интересно, используя информацию, предоставленную этими авторами, и дополняя ее при необходимости другими, проследить источники этого современного открытия, проследить его развитие и таким образом доказать еще раз, насколько дело, самое простое на вид, требует обширных и сложных исследований со стороны автора, желающего написать окончательный труд.

§ 2

Первая, и не самая малая трудность, состоит в том, чтобы четко определить предмет. Слова «беспроводная телеграфия», которые поначалу кажутся соответствующими простой и совершенно ясной идее, могут в действительности применяться к двум сериям вопросов, очень разным в уме физика, между которыми важно различать. Передача сигналов требует трех органов, которые все кажутся незаменимыми: передатчика, приемника и, между ними, посредника, устанавливающего связь. Этот посредник, как правило, является самой дорогой частью установки и самой сложной в настройке, в то время как именно здесь происходят ощутимые потери энергии за счет хорошего выхода. И все же наши нынешние идеи заставляют нас считать этого посредника более чем когда-либо невозможным для устранения; поскольку, если мы окончательно избавились от концепции действия на расстоянии, нам становится немыслимым, что энергия может передаваться из одной точки в другую, не будучи перенесенной какой-либо промежуточной средой. Но, практически, линия будет устранена, если вместо того, чтобы строить ее искусственно, мы используем для ее замены одну из естественных сред, которые разделяют две точки на Земле. Эти естественные среды делятся на две очень четкие категории, и из этой классификации возникают две серии вопросов для изучения.

Между двумя рассматриваемыми точками существуют, во-первых, материальные среды, такие как воздух, земля и вода. Долгое время мы использовали для передачи на расстояние упругие свойства воздуха, а в последнее время — электрическую проводимость почвы и воды, в частности морской.

Современная физика заставляет нас, с другой стороны, как мы видели, считать, что во всей Вселенной существует другая и более тонкая среда, которая проникает повсюду, наделена упругостью в вакууме и сохраняет свою упругость, когда проникает в большое количество тел, таких как воздух. Эта среда — светоносный эфир, который обладает, как мы не можем сомневаться, свойством быть способным передавать энергию, поскольку он сам приносит нам большую часть энергии, которой мы обладаем на Земле и которую мы находим в движениях атмосферы или водопадов, и в угольных шахтах, происходящих от разложения углеродных соединений под влиянием солнечной энергии. Долгое время также, прежде чем существование эфира было известно, обязанность передачи сигналов была возложена на него. Таким образом, сквозь века разворачивается двойная эволюция, за которой должен следовать историк, амбициозный в своей полноте.

§ 3

Если бы такой историк стал рассматривать с самого начала первый порядок вопросов, он мог бы, несомненно, говорить лишь кратко о попытках, предшествовавших электрической телеграфии. Не стремясь быть парадоксальным, он, безусловно, должен был бы упомянуть изобретение рупора и другие подобные изобретения, которые долгое время позволяли человечеству, благодаря остроумному использованию упругих свойств естественных сред, общаться на больших расстояниях, чем они могли бы достичь без помощи искусства. После того как этот в некотором роде доисторический период был быстро пройден, ему пришлось бы очень внимательно следить за развитием электрической телеграфии. Почти с самого начала, и вскоре после того, как Ампер обнародовал идею создания телеграфа, и на следующий день после того, как Гаусс и Вебер установили между своими домами в Геттингене первую линию, действительно использовавшуюся, возникла мысль, что проводящие свойства земли и воды могут быть использованы.

История этих испытаний очень длинна и тесно связана с историей обычной телеграфии; длинные главы в течение некоторого времени были посвящены ей в телеграфных трактатах. Однако именно в 1838 году профессор К. А. Штейнхейль из Мюнхена впервые высказал ясную идею об устранении обратного провода и замене его соединением линейного провода с землей. Он таким образом одним шагом преодолел половину пути, самого легкого, правда, который должен был привести к конечной цели, поскольку он сэкономил использование половины линии провода. Штейнхейль, посоветовавшись, возможно, с Гауссом, имел, кроме того, очень точное представление о роли, которую играет земля, рассматриваемая как проводящее тело. Он, по-видимому, хорошо понимал, что в определенных условиях сопротивление такого проводника, хотя и предполагаемого неограниченным, может быть независимым от расстояния между электродами, которые несут ток и позволяют ему выходить. Он также думал об использовании железнодорожных линий для передачи телеграфных сигналов.

Несколько ученых, которые с самого начала обратили свои умы к телеграфии, имели аналогичные идеи. Так, С. Ф. Б. Морс, суперинтендант правительственных телеграфов в Соединенных Штатах, чье имя всемирно известно в связи с очень простым аппаратом, изобретенным им, проводил эксперименты осенью 1842 года перед специальной комиссией в Нью-Йорке и многочисленной публикой, чтобы показать, насколько надежно и легко работал его аппарат. В самый разгар его экспериментов ему пришла очень счастливая идея заменить водой канала около мили провода, который был внезапно и случайно разрушен. Этот случай, который на мгновение поставил под угрозу законный успех, на который рассчитывал знаменитый инженер, таким образом подсказал ему плодотворную идею, которую он не забыл. Впоследствии он повторял попытки использовать таким образом землю и воду и получил некоторые весьма замечательные результаты.

Невозможно процитировать здесь все исследования, предпринятые с той же целью, к которым более конкретно привязаны имена С. У. Уилкинса, Уитстона и Г. Хайтона в Англии; Бонетти в Италии, Гинтля в Австрии, Бушо и Дона в Франции; но есть некоторые, которые нельзя вспомнить без волнения.

17 декабря 1870 года физик, оставивший в Парижском университете прочное имя, М. д'Альмейда, в то время профессор лицея Генриха IV, а позже генеральный инспектор народного просвещения, покинул осажденный Париж на воздушном шаре и спустился посреди немецких линий. Он преуспел после опасного путешествия в том, чтобы добраться до Гавра через Бордо и Лион; и после приобретения необходимого аппарата в Англии он спустился по Сене до Пуасси, куда прибыл 14 января 1871 года. После его отъезда двое других ученых, ММ. Десэ и Бурбуз, сменяя друг друга день и ночь, ждали в Париже, в лодке на Сене, готовые принять сигнал, которого они ждали с патриотической тревогой. Речь шла о работе процесса, разработанного последней парой, в котором вода реки играла роль линейного провода. 23 января связь, наконец, казалось, была установлена, но, к сожалению, сначала перемирие, а затем капитуляция Парижа сделали бесполезным ценный результат этого благородного усилия.

Особого упоминания также заслуживают эксперименты, проведенные Индийским телеграфным управлением под руководством г-на Джонсона, а затем г-на У. Ф. Мелхуиша. Они привели, действительно, в 1889 году к таким удовлетворительным результатам, что телеграфная служба, в которой линейный провод был заменен землей, работала практически и регулярно. Другие попытки были также предприняты во второй половине девятнадцатого века для передачи сигналов через море. Они предшествовали эпохе, когда благодаря многочисленным физикам, среди которых лорд Кельвин, несомненно, занимает преобладающее положение, мы преуспели в прокладке первого кабеля; но они не были оставлены даже после этой даты, ибо они давали надежды на гораздо более экономичное решение проблемы. Среди наиболее интересных вспоминаются те, которые С. У. Уилкинс проводил долгое время между Францией и Англией. Подобно Куку и Уитстону, он думал использовать в качестве приемника аппарат, который в некоторых чертах напоминает нынешний приемник подводного телеграфа. Позже Джордж Э. Деринг, затем Джеймс Боумен и Линдси сделали на тех же линиях попытки, которые достойны того, чтобы их помнили.

Но только в наши дни сэр Уильям Г. Прис наконец получил впервые действительно практические результаты. Сэр Уильям сам осуществил и заставил выполнить своими сотрудниками — он главный инженер-консультант Главного почтового управления в Англии — исследования, проведенные с большим методом и основанные на точных теоретических соображениях. Он таким образом преуспел в установлении очень легких, ясных и регулярных сообщений между различными местами; например, через Бристольский канал. Длинная серия операций, выполненных столь многими искателями с целью замены материальной и естественной среды искусственными линиями из металла, таким образом встретила несомненный успех, который вскоре должен был быть затмен широко известными экспериментами, направленными в иную линию Маркони.

Справедливо добавить, что сэр Уильям Прис сам использовал явления индукции в своих экспериментах и начал исследования с помощью электрических волн. Многое ему обязано за прием, который он оказал Маркони; безусловно, благодаря советам и материальной поддержке, которую он нашел у сэра Уильяма, молодой ученый преуспел в осуществлении своих сенсационных экспериментов.

§ 4

Отправная точка экспериментов, основанных на свойствах светоносного эфира и имеющих своей целью передачу сигналов, очень далека; и было бы очень трудоемкой задачей выискивать всю работу, выполненную в этом направлении, даже если бы мы ограничились теми, в которых электрические реакции играют роль. Электрическая реакция, электростатическое влияние или электромагнитное явление передается на расстояние через воздух при посредничестве светоносного эфира. Но электрическое влияние едва ли может быть использовано, так как расстояния, которые оно позволило бы нам преодолеть, были бы слишком ограничены, а электростатические действия часто очень непредсказуемы. Явления индукции, которые очень регулярны и нечувствительны к изменениям атмосферы, с другой стороны, долгое время казались пригодными для телеграфных целей.

Мы могли бы найти в некотором количестве только что упомянутых попыток частичное использование этих явлений. Линдси, например, в своем проекте связи через море приписывал им значительную роль. Эти явления даже позволили настоящую телеграфию без промежуточного провода между передатчиком и приемником, на очень ограниченных расстояниях, правда, но в особенно интересных условиях. Именно благодаря им К. Браун, а позже Эдисон и Гиллиленд преуспели в установлении связи с поездами в движении.

Г-н Уиллоуби С. Смит и г-н Чарльз А. Стивенсон также предприняли эксперименты в течение последних двадцати лет, в которых они использовали индукцию, но наиболее замечательными попытками являются, возможно, попытки профессора Эмиля Ратенау. С помощью профессора Рубенса и г-на В. Ратенау этот физик осуществил по просьбе немецкого Министерства морского флота серию исследований, которые позволили ему с помощью сложной системы проводимости и индукции переменными токами получить ясные и регулярные сообщения на расстоянии четырех километров. Среди предшественников также следует упомянуть Грэма Белла; изобретатель телефона думал об использовании своего замечательного аппарата в качестве приемника явлений индукции, передаваемых с расстояния; Эдисон, г-н Захер из Вены, М. Генри Дюфур из Лозанны и профессор Троубридж из Бостона также сделали интересные попытки в том же направлении.

Во всех этих экспериментах встречается идея использования колеблющегося тока. Более того, было известно долгое время — с тех пор как в 1842 году великий американский физик Генри доказал, что разряды лейденской банки на чердаке его дома вызывали искры в металлической цепи на первом этаже, — что поток, который меняется быстро и периодически, гораздо более эффективен, чем простой поток, который может лишь произвести на расстоянии явление слабой интенсивности. Эта идея колеблющегося тока была тесно связана с той, которая в конечном итоге должна была привести к совершенно удовлетворительному решению: то есть к решению, которое основано на свойствах электрических волн.

§ 5

Добравшись таким образом до порога окончательного здания, историк, который провел своих читателей по двум параллельным маршрутам, которые только что были намечены, будет приведен к вопросу самому себе, был ли он достаточно верным гидом и не упустил ли он обратить внимание на все существенные моменты в пройденных регионах.

Не должны ли мы поставить рядом, или, возможно, впереди авторов, которые разработали практические приспособления, тех ученых, которые построили теории и реализовали лабораторные эксперименты, из которых, в конце концов, аппараты являются лишь непосредственными применениями? Если мы говорим о распространении тока в материальной среде, можно ли забыть имена Фурье и Ома, которые установили теоретическими соображениями законы, которые управляют этим распространением? Когда смотришь на явления индукции, не было бы справедливо помнить, что Араго предвидел их, а Майкл Фарадей открыл их? Это была бы деликатная, а также довольно пустая задача — классифицировать людей гения в порядке заслуг. Заслуга изобретателя, такого как Эдисон, и теоретика, такого как Клерк Максвелл, не имеют общей меры, и человечество обязано своим великим прогрессом одному в такой же степени, как и другому.

Прежде чем рассказывать, как успех сопутствовал усилиям по использованию электрических волн для передачи сигналов, мы не можем без неблагодарности пройти молчанием теоретические спекуляции и работу чистой науки, которые привели к знанию этих волн. Поэтому было бы справедливо, не уходя дальше Фарадея, сказать, как этот выдающийся физик обратил внимание на роль, которую играют изолирующие среды в электрических явлениях, и настаивать также на замечательных мемуарах, в которых впервые Клерк Максвелл сделал прочный мост между двумя великими главами физики, оптикой и электричеством, которые до тех пор были независимы друг от друга. И, несомненно, было бы невозможно не вызвать память тех, кто, установив, с другой стороны, прочную и великолепную структуру физической оптики и доказав своими бессмертными трудами волновую природу света, подготовил с противоположного направления будущее единство. В истории применений электрических колебаний должны быть вписаны имена Юнга, Френеля, Физо и Фуко; без этих ученых ассимиляция между электрическими и световыми явлениями, которую они открыли и изучили, была бы, очевидно, невозможна.

Поскольку существует абсолютная тождественность природы между электрическими и световыми волнами, мы должны, по всей справедливости, также рассматривать как предшественников тех, кто разработал первые световые телеграфы. Клод Шапп неоспоримо осуществил беспроводную телеграфию благодаря светоносному эфиру, а ученые, такие как полковник Манжен, которые усовершенствовали оптическую телеграфию, косвенно подсказали некоторые улучшения, недавно введенные в нынешний метод.

Но физик, чья работа должна быть больше всего выделена, — это, без страха противоречия, Генрих Герц. Именно он продемонстрировал неопровержимо, с помощью экспериментов, ставших теперь классическими, что электрический разряд производит волновое возмущение в эфире, содержащемся в изолирующих средах в его окрестности; именно он, как глубокий теоретик, искусный математик и экспериментатор с поразительной ловкостью, сделал известным механизм получения и полностью разъяснил механизм распространения этих электромагнитных волн.

Он, разумеется, должен был сам думать, что его открытия могут быть применены к передаче сигналов. Однако, по-видимому, когда мюнхенский инженер по фамилии Хубер спросил его о возможности использования этих волн для телефонной передачи, он ответил отрицательно и остановился на некоторых соображениях относительно разницы между периодами звуковых колебаний и периодами электрических вибраций. Этот ответ не позволяет нам судить о том, что могло бы произойти, если бы жестокая смерть не унесла в 1894 году, в возрасте тридцати пяти лет, этого великого и несчастного физика.

Мы могли бы также найти в некоторых работах, предшествовавших экспериментам Герца, попытки передачи, в которых, несомненно, бессознательно уже были задействованы явления, которые в наши дни были бы классифицированы как электрические колебания. Безусловно, можно не упоминать американского шарлатана Малона Лумиса, который, по словам мистера Стори, в 1870 году запатентовал проект связи, в котором он использовал Скалистые горы с одной стороны и Монблан с другой в качестве гигантских антенн для установления связи через Атлантику; но мы не можем обойти молчанием весьма примечательные исследования американского профессора Долбира, который на электрической выставке в Филадельфии в 1884 году продемонстрировал комплект аппаратуры, позволяющий передавать сигналы на расстояние, что он описал как «исключительное применение принципов электростатической индукции». Этот аппарат состоял из групп катушек и конденсаторов, с помощью которых он получал, в чем теперь нельзя сомневаться, эффекты, обусловленные истинными электрическими волнами.

Следует также упомянуть известного изобретателя Д. Э. Хьюза, который с 1879 по 1886 год проводил весьма любопытные эксперименты, в которых эти колебания также, безусловно, играли значительную роль. Именно этот физик изобрел микрофон и, таким образом, иным способом привлек внимание к изменениям контактного сопротивления — явлению, недалеко ушедшему от того, что наблюдается в радиокондукторах Бранли, которые являются важными органами в системе Маркони. К сожалению, утомленный и больной, Хьюз прекратил свои исследования, возможно, в тот самый момент, когда они могли бы дать ему окончательные результаты.

В ином по внешнему виду, но тесно связанном по сути с только что упомянутым кругом идей, необходимо вспомнить открытие радиофонии в 1880 году Грэмом Беллом, которое было предвосхищено в 1875 году К. А. Брауном. Световой луч, падающий на селеновый элемент, вызывает изменение электрического сопротивления, благодаря чему звуковой сигнал может быть передан с помощью света. Этот тонкий инструмент — радиофон, сконструированный на данном принципе, имеет широкие аналогии с современной аппаратурой.

§ 6

Начиная с экспериментов Герца, история беспроволочного телеграфа почти сливается с историей исследований электрических волн. Весь прогресс, достигнутый в способах производства и приема этих волн, неизбежно способствовал возникновению уже указанного применения. Эксперименты Герца, после того как они были проверены в каждой лаборатории и вошли в прочную область наших самых достоверных знаний, были готовы принести ожидаемые плоды.

Экспериментаторы, такие как сэр Оливер Лодж в Англии, Риги в Италии, Сарразен и де ла Рив в Швейцарии, Блондло во Франции, Лехер в Германии, Бозе в Индии, Лебедев в России, и теоретики, такие как М. А. Пуанкаре и профессор Бьеркнес, которые разработали остроумные устройства или прояснили некоторые темные моменты, являются одними из творцов работы, которая следовала своей естественной эволюции.

По-видимому, именно профессор Р. Трелфолл первым в 1890 году четко предложил применение волн Герца в телеграфии, но именно сэр У. Крукс в весьма примечательной статье в «Fortnightly Review» за февраль 1892 года очень ясно указал путь, которому следует идти. Он даже показал, при каких условиях приемник Морзе может быть применен к новой системе телеграфии.

Примерно в тот же период американский физик, хорошо известный своими знаменитыми экспериментами с токами высокой частоты — экспериментами, которые также не лишены связи с опытами по электрическим колебаниям, — М. Тесла продемонстрировал, что эти колебания могут передаваться на более значительные расстояния при использовании двух вертикальных антенн, заканчивающихся большими проводниками.

Чуть позже сэр Оливер Лодж с помощью когерера преуспел в обнаружении волн на относительно больших расстояниях, а мистер Резерфорд получил аналогичные результаты с помощью магнитного индикатора собственного изобретения.

Важный вопрос метрологии — изучение атмосферных разрядов — в то время побудил некоторых ученых, и в особенности русского исследователя М. Попова, создать аппаратуру, очень похожую на приемную аппаратуру современной беспроволочной телеграфии. Она состояла из длинной антенны и трубки с опилками, и М. Попов даже указывал, что его аппарат вполне мог бы служить для передачи сигналов, как только был бы обнаружен достаточно мощный генератор волн.

Наконец, 2 июня 1896 года молодой итальянец, родившийся в Болонье 25 апреля 1874 года, Гульельмо Маркони, запатентовал систему беспроволочной телеграфии, которой суждено было быстро стать популярной. Воспитанный в лаборатории профессора Риги, одного из физиков, сделавших больше всего для подтверждения и расширения экспериментов Герца, Маркони давно был знаком со свойствами электрических волн и хорошо владел методами их использования. Впоследствии ему посчастливилось встретиться с сэром Уильямом (тогда еще мистером) Присом, который стал для него советником самого высокого авторитета.

Иногда говорят, что система Маркони не содержит ничего оригинального; что аппарат для производства волн был осциллятором Риги, что приемник был тем самым, который в течение двух или трех лет использовали профессор Лодж и мистер Бозе, и основывался на более раннем открытии французского ученого М. Бранли; и, наконец, что общее устройство было тем самым, которое установил М. Попов.

Лица, которые столь поспешно судят о работе М. Маркони, проявляют суровость, граничащую с несправедливостью. Нельзя, по правде говоря, отрицать, что молодой ученый внес строго личный вклад в решение задачи, которую он перед собой поставил. Помимо своих предшественников, и когда их попытки были почти неизвестны, он имел огромную заслугу в том, что ловко подобрал наиболее благоприятную комбинацию, и он первым преуспел в получении практических результатов, показав при этом, что электрические волны могут передаваться и приниматься на расстояниях, огромных по сравнению с теми, что были достигнуты до него. Намекая на известную историю о Христофоре Колумбе, сэр У. Прис совершенно справедливо сказал: «Предшественники и соперники Маркони, несомненно, знали об яйцах, но именно он научил их ставить их вертикально». Это суждение, без всякого сомнения, будет тем, которое история окончательно вынесет итальянскому ученому.

§ 7

Аппарат, который позволяет обнаруживать электрические волны, детектор или индикатор, является самым тонким органом в беспроволочной телеграфии. Нет необходимости использовать в качестве индикатора трубку с опилками или радиокондуктор. В принципе, для целей конструирования приемника можно подумать о любом из множества эффектов, производимых волнами Герца. Во многих используемых системах, и в новой системе самого Маркони, использование этих трубок было оставлено и заменено магнитными детекторами.

Тем не менее, первые и до сих пор наиболее частые успехи обязаны радиокондукторам, и общественное мнение не ошиблось, приписав изобретателю этого остроумного аппарата значительную и почти преобладающую роль в изобретении волновой телеграфии.

История открытия радиокондукторов коротка, но по своей важности она заслуживает отдельной главы в истории беспроволочной телеграфии. С теоретической точки зрения явления, происходящие в этих трубках, следует поставить в один ряд с теми, которые изучались Грэмом Беллом, К. А. Брауном и Самнером Тейнтером, начиная с 1878 года. Изменения, которые световые волны вызывают в сопротивлении селена и других веществ, несомненно, не лишены связи с теми, которые электрические волны производят в опилках. Связь также может быть установлена между этим эффектом волн и изменениями контактного сопротивления, которые позволили Хьюзу сконструировать микрофон — этот замечательный инструмент, являющийся одним из важнейших органов телефонии.

Более непосредственно, в качестве предшествующего открытия следует процитировать замечание, сделанное Варли в 1870 году, о том, что угольная пыль меняет свою проводимость, когда изменяется электродвижущая сила тока, проходящего через нее. Но именно в 1884 году итальянский профессор синьор Кальзекки-Онести продемонстрировал в серии примечательных экспериментов, что металлические опилки, содержащиеся в трубке из изоляционного материала, в которую вставлены два металлических электрода, приобретают заметную проводимость под воздействием различных влияний, таких как экстратоки, индукционные токи, звуковые вибрации и т. д., и что эта проводимость легко разрушается; например, путем переворачивания трубки.

В нескольких мемуарах, опубликованных в 1890 и 1891 годах, М. Эд. Бранли независимо указал на подобные явления и провел гораздо более полное и систематическое исследование вопроса. Он первым очень четко отметил, что описанное действие может быть получено простым созданием искр вблизи радиокондуктора и что их высокое сопротивление может быть восстановлено опилкам путем легкого встряхивания трубки или ее опор.

Идея использования столь интересного явления в качестве индикатора при изучении волн Герца, по-видимому, пришла одновременно нескольким физикам, среди которых следует особо отметить самого М. Эд. Бранли, сэра Оливера Лоджа, а также ММ. Ле Руа и Ван Бешема, и его использование в лабораториях быстро стало весьма распространенным.

Действие волн на металлические порошки, однако, осталось несколько загадочным; в течение десяти лет оно было предметом важных исследований профессора Лоджа, М. Бранли и очень большого числа самых выдающихся физиков. Невозможно здесь упомянуть все эти исследования, но из недавней и весьма интересной работы М. Блана следует, что это явление родственно явлению ионизации.

§ 8

История беспроволочной телеграфии не заканчивается первыми экспериментами Маркони; но с того момента, как об их успехе было объявлено в прессе, вопрос вышел из области чистой науки в область коммерции. Задача историка здесь становится иной, но еще более деликатной; и он столкнется с трудностями, которые могут быть известны только тому, кто собирается писать историю коммерческого изобретения.

Фактические усовершенствования, внесенные в систему, держатся в секрете конкурирующими компаниями, а самые важные результаты патриотически оставляются в тени учеными офицерами, которые действуют осмотрительно в интересах национальной обороны. Тем временем дельцы, желающие основать компанию, провозглашают с большой помпой в рекламе, что они собираются эксплуатировать процесс, превосходящий все остальные.

На эту скользкую почву беспристрастный историк должен, тем не менее, ступить; и он не может отказаться рассказать о достигнутом прогрессе, который весьма значителен. Поэтому, описав эксперименты, проводившиеся почти десять лет самим Маркони, сначала через Бристольский канал, затем в Специи, между берегом и броненосцем «Сан-Бартоломео», и, наконец, с помощью гигантской аппаратуры между Америкой и Англией, он должен назвать имена тех, кто в разных цивилизованных странах внес вклад в совершенствование системы связи с помощью волн; при этом он должен описать, какие ценные услуги эта система уже оказала военному делу и, к счастью, также мирному мореплаванию.

С точки зрения теории явлений весьма примечательные результаты были получены различными физиками, среди которых следует особо отметить М. Тиссо, чьи блестящие исследования пролили яркий свет на различные интересные моменты, такие как роль антенн. Было бы столь же невозможно обойти молчанием другие недавние попытки в несколько ином ключе. Система Маркони, однако, как бы она ни была усовершенствована сегодня, имеет один серьезный недостаток. Синхронизм двух частей аппаратуры, передатчика и приемника, не идеален, так что сообщение, отправленное одной станцией, может быть перехвачено какой-либо другой станцией. Тот факт, что явления резонанса не используются, далее препятствует тому, чтобы количество энергии, получаемой приемником, было значительным, и, следовательно, получаемые эффекты очень слабы, так что система остается несколько непостоянной, а связь часто нарушается атмосферными явлениями. Причины, которые делают воздух мгновенным проводником, такие как электрические разряды, ионизация и т. д., кроме того, естественно, препятствуют прохождению волн, из-за чего эфир теряет свою упругость.

Профессор Фердинанд Браун из Страсбурга высказал идею использования смешанной системы, в которой земля и вода, которые, как мы видели, часто использовались для проведения тока при передаче сигнала, будут служить своего рода направляющей для самих волн. Ныне хорошо известная теория распространения волн, направляемых проводником, позволяет предвидеть, что в зависимости от своих периодов эти волны будут проникать более или менее глубоко в естественную среду, из чего был разработан метод их разделения по частоте. Применяя эту теорию, М. Браун провел эксперименты сначала в укреплениях Страсбурга, а затем между островом Гельголанд и материком, которые дали замечательные результаты. Мы могли бы упомянуть также исследования в несколько аналогичном круге идей английского инженера мистера Армстронга, доктора Ли де Фореста, а также профессора Фессендена.

Добравшись таким образом до конца этого долгого пути, который привел его от первых попыток к самым недавним экспериментам, историк все же не может претендовать ни на что иное, кроме как на то, что он написал начало истории, которую другие должны будут продолжить в будущем. Прогресс не останавливается, и никогда нельзя сказать, что изобретение достигло своей окончательной формы.

Если бы историк пожелал подвести итог своему труду и ответить на вопрос, который читатель, несомненно, не преминул бы ему задать: «Кому, в конечном счете, следует более всего приписать изобретение беспроволочной телеграфии?», он, безусловно, должен был бы сначала назвать имя Герца, гения, открывшего волны, затем имя Маркони, который первым передал сигналы с помощью герцевых колебаний, и должен был бы добавить имена ученых, которые, подобно Морзе, Попову, сэру У. Прису, Лоджу и, прежде всего, Бранли, разработали устройства, необходимые для их передачи. Но затем он мог бы вспомнить, что писал Вольтер в «Философском словаре»:

«Как! Мы хотим знать, какова была точная теология Тота, Зердушта, Санхуниатона, первых браминов, а мы не знаем изобретателя челнока! Первый ткач, первый каменщик, первый кузнец, несомненно, были великими гениями, но их не замечали. Почему? Потому что никто из них не изобрел усовершенствованное искусство. Тот, кто выдолбил дуб, чтобы переправиться через реку, никогда не строил галеру; те, кто нагромождал грубые камни с деревянными балками, не проектировали Пирамиды. Все делается постепенно, и слава не принадлежит никому».

Сегодня, более чем когда-либо, слова Вольтера верны: наука становится все более безличной, и она учит нас, что прогресс почти всегда является результатом объединенных усилий множества работников и, таким образом, является лучшей школой социальной солидарности.

ГЛАВА VIII

ПРОВОДИМОСТЬ ГАЗОВ И ИОНЫ

§ 1. ПРОВОДИМОСТЬ ГАЗОВ

Если бы мы ограничились фактами, которые я изложил выше, мы могли бы прийти к выводу, что два класса явлений сегодня интерпретируются со все возрастающей точностью, несмотря на несколько указанных трудностей. Гипотеза о молекулярном строении материи позволяет нам сгруппировать один из этих классов, а гипотеза об эфире ведет нас к координации другого.

Но эти два класса явлений нельзя считать независимыми друг от друга. Отношения между материей и эфиром очевидно существуют, они проявляются во многих случаях, доступных для эксперимента, и поиск этих отношений представляется важнейшей проблемой, которую должен поставить перед собой физик. Вопрос уже давно атаковался с разных сторон, но недавние открытия в области проводимости газов, радиоактивных веществ, а также катодных и подобных им лучей позволили нам в последние годы взглянуть на него в новом свете. Не желая излагать здесь подробно факты, которые по большей части хорошо известны, мы постараемся сгруппировать основные из них вокруг нескольких существенных идей и попытаемся уточнить данные, которые они предоставляют нам для решения этой серьезной проблемы.

Именно изучение проводимости газов с самого начала предоставило наиболее важную информацию и позволило нам проникнуть глубже, чем это было возможно до тех пор, в сокровенное строение материи, и таким образом, так сказать, поймать с поличным действия, которые материя может оказывать на эфир, или, взаимно, те, которые она может получать от него.

Можно было бы, пожалуй, предвидеть, что такое исследование окажется удивительно плодотворным. Изучение явлений электролиза, по сути, привело к результатам высочайшей важности относительно строения жидкостей, и газообразные среды, которые представлялись особенно простыми во всех своих свойствах, должны были бы, казалось, с самого начала предоставить поле исследования, легкое для работы и высокопродуктивное.

Это, однако, было совсем не так. Экспериментальные осложнения, возникавшие на каждом шагу, затуманивали проблему. Обычно оказываешься в присутствии бурных разрывных разрядов с целым рядом побочных явлений, обусловленных, например, использованием металлических электродов и проявляющихся сложным видом эгретов и эфлювов; или же приходилось иметь дело с нагретыми газами, трудными для обращения, которые были заключены в сосуды, чьи стенки играли неприятную роль и умудрялись скрывать простоту фундаментальных фактов. Несмотря, следовательно, на усилия большого числа искателей, никакая общая идея не выделилась из массы часто противоречивой информации.

Многие физики, особенно во Франции, отбросили изучение вопросов, которые казались столь запутанными, и следует даже откровенно признать, что некоторые из них испытывали поистине необоснованное недоверие к определенным результатам, которые должны были считаться доказанными, но которые имели несчастье противоречить теориям, находящимся в текущем употреблении. Все классические идеи, относящиеся к электрическим явлениям, приводили к рассмотрению того, что существует идеальная симметрия между двумя электричествами, положительным и отрицательным. При прохождении электричества через газы проявляется, напротив, очевидная диссимметрия. Анод и катод сразу же различаются в трубке с разреженным газом по своему особому виду; и проводимость не кажется, при определенных условиях, одинаковой для двух способов электризации.

Не лишено интереса отметить, что Эрман, немецкий ученый, некогда очень знаменитый, а ныне почти забытый, обратил внимание еще в 1815 году на униполярную проводимость пламени. Его современники, как можно заключить из прочтения трактатов по физике того периода, придавали большое значение этому открытию; но, поскольку оно было несколько неудобным и нелегко вписывалось в обычные исследования, оно со временем было заброшено, затем сочтено недостаточно установленным и, наконец, полностью забыто.

Все эти несколько темные факты, и некоторые другие — такие как различное действие ультрафиолетовых излучений на положительно и отрицательно заряженные тела — теперь, напротив, готовы быть скоординированы благодаря современным идеям о механизме проводимости; в то же время эти идеи также позволят нам интерпретировать самую поразительную диссимметрию из всех, т. е. ту, что выявлена самим электролизом, диссимметрию, которую, безусловно, нельзя отрицать, но которой не было уделено достаточного внимания.

Именно немецкому физику Гизе мы обязаны первыми представлениями о механизме проводимости газов, как мы их теперь понимаем. В двух мемуарах, опубликованных в 1882 и 1889 годах, он ясно приходит к концепции, что проводимость в газах обусловлена не их молекулами, а некоторыми их фрагментами или ионами. Гизе был предшественником, но его идеи не могли восторжествовать до тех пор, пока не было средств наблюдать проводимость в простых обстоятельствах. Но это средство теперь было предоставлено открытием X-лучей. Предположим, мы пропускаем через какой-нибудь газ при обычном давлении, например, водород, пучок X-лучей. Газ, который до тех пор вел себя как идеальный изолятор, внезапно приобретает замечательную проводимость. Если в этот водород ввести два металлических электрода, находящихся в соединении с двумя полюсами батареи, устанавливается ток в очень особых условиях, которые напоминают нам, когда они проверяются экспериментами, механизм, допускающий прохождение электричества при электролизе, и который так хорошо представлен нам, когда мы представляем себе это прохождение как обусловленное миграцией к электродам, под действием поля, двух наборов ионов, образованных спонтанным делением молекулы внутри раствора.

Признаем поэтому вместе с Дж. Дж. Томсоном и многими физиками, которые вслед за ним подхватили и развили идею Гизе, что под влиянием X-лучей, по причинам, которые должны быть определены позже, некоторые газообразные молекулы разделились на две части, одна положительно, а другая отрицательно электризованная, которые мы назовем, по аналогии с родственным явлением в электролизе, именем ионов. Если газ затем поместить в электрическое поле, созданное, например, двумя металлическими пластинами, соединенными соответственно с двумя полюсами батареи, положительные ионы будут двигаться к пластине, соединенной с отрицательным полюсом, а отрицательные ионы — в противоположном направлении. Таким образом, создается ток, обусловленный переносом к электродам зарядов, которые существовали на ионах.

Если газ, таким образом ионизированный, оставить самому себе, в отсутствие какого-либо электрического поля, ионы, уступая своему взаимному притяжению, должны в конечном итоге встретиться, соединиться и восстановить нейтральную молекулу, возвращаясь таким образом к своему исходному состоянию. Газ через короткое время теряет проводимость, которую он приобрел; или это, по крайней мере, явление при обычных температурах. Но если температура повышается, относительные скорости ионов в момент удара могут быть достаточно велики, чтобы сделать невозможным полное рекомбинирование, и часть проводимости сохранится.

Каждый элемент объема, ставший проводником, следовательно, поставляет в электрическом поле равные количества положительного и отрицательного электричества. Если мы допустим, как упоминалось выше, что эти освобожденные количества переносятся ионами, каждый из которых несет равный заряд, число этих ионов будет пропорционально количеству электричества, и вместо того, чтобы говорить о количестве электричества, мы могли бы использовать эквивалентный термин «число ионов». Для возбуждения, производимого данным пучком X-лучей, число освобожденных ионов будет фиксированным. Таким образом, из данного объема газа можно извлечь только столь же определенное количество электричества.

Произведенная проводимость не подчиняется закону Ома. Интенсивность не пропорциональна электродвижущей силе, и она сначала увеличивается по мере возрастания электродвижущей силы; но она асимптотически приближается к максимальному значению, которое соответствует числу освобожденных ионов и, следовательно, может служить мерой силы возбуждения. Этот ток называется током насыщения.

М. Риги умело продемонстрировал, что ионизированный газ не подчиняется закону Ома, с помощью эксперимента, очень парадоксального по внешнему виду. Он обнаружил, что чем больше расстояние между двумя пластинами электродов, тем больше может быть, в определенных пределах, интенсивность тока. Этот факт очень ясно интерпретируется теорией ионизации, поскольку чем больше длина газового столба, тем больше должно быть число освобожденных ионов.

Одной из самых поразительных характеристик ионизированных газов является разрядка наэлектризованных проводников. Это явление происходит не из-за ухода заряда, который могут иметь эти проводники, а из-за прихода противоположных зарядов, приносимых к ним ионами, которые подчиняются электростатическому притяжению и оставляют свою собственную электризацию, когда они вступают в контакт с этими проводниками.

Такой способ рассмотрения явлений чрезвычайно удобен и в высшей степени нагляден. Можно, конечно, подумать, что образ ионов не идентичен объективной реальности, но мы вынуждены признать, что он представляет со всей точностью все детали явлений.

Другие факты, более того, придадут этой гипотезе еще большую ценность; мы даже сможем, так сказать, схватить эти ионы индивидуально, сосчитать их и измерить их заряд.

§ 2. КОНДЕНСАЦИЯ ВОДЯНОГО ПАРА ИОНАМИ

Если давление пара — например, воды — в атмосфере достигает значения максимального давления, соответствующего температуре эксперимента, элементарная теория учит нас, что малейшее понижение температуры вызовет конденсацию; что образуются маленькие капли, и туман превратится в дождь.

В действительности дела обстоят не так просто. Может произойти более или менее значительная задержка, и пар останется пересыщенным. Мы легко обнаруживаем, что это явление обусловлено вмешательством капиллярного действия. На капле жидкости действует поверхностное натяжение, которое вызывает давление, становящееся тем больше, чем меньше диаметр капли.

Давление способствует испарению, и при более внимательном изучении этой реакции мы приходим к выводу, что пар никогда не может спонтанно конденсироваться, когда уже сформированные капли жидкости отсутствуют, если не вмешиваются силы другой природы, чтобы уменьшить эффект капиллярных сил. В наиболее частых случаях эти силы исходят от пыли, которая всегда находится во взвешенном состоянии в воздухе или существует в любом сосуде. Зерна пыли действуют в силу своей гигрометрической способности и образуют зародыши, вокруг которых вскоре формируются капли. Можно использовать, как это сделал М. Кулье еще в 1875 году, это явление для удаления зародышей конденсации, создавая путем расширения в бутылке, содержащей немного воды, предварительный туман, который очищает воздух. В последующих экспериментах будет почти невозможно вызвать дальнейшую конденсацию пара.

Но эти силы могут быть также электрического происхождения. Фон Гельмгольц давно показал, что электричество оказывает влияние на конденсацию водяного пара, и мистер К. Т. Р. Вильсон с этой целью провел поистине количественные эксперименты. Вскоре после появления X-лучей было обнаружено, что газы, ставшие проводниками, то есть ионизированные газы, также способствуют конденсации пересыщенного водяного пара.

Мы таким образом ведомы новым путем к убеждению, что в газах существуют наэлектризованные центры и что каждый центр притягивает к себе соседние молекулы воды, как наэлектризованная палочка смолы притягивает легкие тела вокруг себя. Таким образом, вокруг каждого иона образуется скопление молекул воды, которые составляют зародыш, способный вызвать образование капли воды из конденсации избыточного пара в окружающем воздухе. Как и следовало ожидать, капли наэлектризованы и принимают на себя заряд центров, вокруг которых они сформированы; более того, создается столько капель, сколько существует ионов. После этого нам остается только сосчитать эти капли, чтобы установить число ионов, которые существовали в газообразной массе.

Для осуществления этого подсчета использовалось несколько методов, различающихся в принципе, но приводящих к схожим результатам. Можно, как это сделали мистер К. Т. Р. Вильсон и профессор Дж. Дж. Томсон, оценить, с одной стороны, вес тумана, который образуется в определенных условиях, а с другой — средний вес капель, согласно формуле, ранее данной сэром Дж. Стоксом, путем вывода их диаметра из скорости, с которой этот туман падает; или мы можем, вместе с профессором Лемме, определить средний радиус капель оптическим процессом, а именно путем измерения диаметра первого дифракционного кольца, образующегося при взгляде через туман на точку света.

Мы таким образом получаем очень большое число. Существует, например, около двадцати миллионов ионов на кубический сантиметр, когда лучи произвели свой максимальный эффект, но, как бы велика ни была эта цифра, она все еще очень мала по сравнению с общим числом молекул. Все выводы, сделанные из кинетической теории, заставляют нас думать, что в том же пространстве должны существовать, наряду с молекулой, разделенной на два иона, тысяча миллионов, остающихся в нейтральном состоянии и нетронутыми.

Мистер К. Т. Р. Вильсон заметил, что положительные и отрицательные ионы не производят конденсацию с одинаковой легкостью. Ионы противоположного знака могут быть почти полностью разделены путем помещения ионизированного газа в подходящим образом расположенное поле. В окрестности отрицательного диска остаются почти одни только положительные ионы, а против положительного диска — одни только отрицательные; и при осуществлении разделения такого рода будет замечено, что конденсация отрицательными ионами легче, чем положительными.

Следовательно, возможно вызвать конденсацию только на отрицательных центрах и изучать отдельно явления, производимые двумя видами ионов. Таким образом можно проверить, что они действительно несут заряды, равные по абсолютной величине, и эти заряды могут быть даже оценены, поскольку мы уже знаем число капель. Эта оценка может быть сделана, например, путем сравнения скорости падения тумана в полях различных значений или, как это сделал Дж. Дж. Томсон, путем измерения общего количества электричества, освобожденного во всем газе.

При той степени приближения, которую подразумевают такие эксперименты, мы находим, что заряд капли, и, следовательно, заряд, переносимый ионом, составляет заметно 3,4 x 10^-10 электростатических или 1,1 x 10^-20 электромагнитных единиц. Этот заряд очень близок к тому, который изучение явлений обычного электролиза заставляет нас приписать одновалентному атому, образованному электролитической диссоциацией.

Такое совпадение, очевидно, очень поразительно; но оно будет не единственным, ибо какое бы явление ни изучалось, всегда будет казаться, что наименьший заряд, который мы можем представить как изолированный, — это упомянутый. Мы, по сути, находимся в присутствии естественной единицы, или, если хотите, атома электричества.

Мы должны, однако, остерегаться веры в то, что газообразный ион идентичен электролитическому иону. Ощутимые различия между ними сразу же очевидны, и еще большие будут обнаружены при более внимательном рассмотрении.

Как показал М. Перрен, ионизация, производимая X-лучами, никоим образом не зависит от химического состава газа; и берем ли мы объем газообразного хлористого водорода или смесь водорода и хлора в том же состоянии, все результаты будут идентичны: и химические сродства здесь не играют никакой роли.

Мы можем также получить другую информацию относительно ионов: мы можем установить, например, их скорости, а также получить представление об их порядке величины.

Обрабатывая скорости, которыми обладают освобожденные заряды, как компоненты известной скорости газового потока, мистер Зелени измеряет подвижности, то есть скорости, приобретаемые положительными и отрицательными зарядами в поле, равном электростатической единице. Он таким образом обнаружил, что эти подвижности различны и что они варьируются, например, между 400 и 200 сантиметрами в секунду для двух зарядов в сухих газах, причем положительные ионы менее подвижны, чем отрицательные, что наводит на мысль, что они обладают большей массой.

М. Ланжевен, который сделал себя красноречивым апостолом новых доктрин во Франции и сделал многое для того, чтобы их поняли и приняли, лично предпринял эксперименты, аналогичные экспериментам М. Зелени, но гораздо более полные. Он изучил весьма остроумным образом не только подвижности, но и закон рекомбинации, который регулирует спонтанное возвращение газа в его нормальное состояние. Он экспериментально определил отношение числа рекомбинаций к числу столкновений между двумя ионами противоположного знака, изучая вариацию, производимую изменением значения поля, в количестве электричества, которое может быть собрано в газе, разделяющем две параллельные металлические пластины, после прохождения через него в течение очень короткого времени рентгеновских лучей, испущенных во время одного разряда трубки Крукса. Если образ ионов действительно соответствует реальности, это отношение должно, очевидно, всегда быть меньше единицы и должно стремиться к этому значению, когда подвижность ионов уменьшается, то есть когда давление газа увеличивается. Полученные результаты находятся в полном согласии с этим ожиданием.

С другой стороны, М. Ланжевен преуспел, прослеживая смещение ионов между параллельными пластинами после ионизации, произведенной излучением, в определении абсолютных значений подвижностей с большой точностью и, таким образом, ясно выявил неравномерность подвижностей положительных и отрицательных ионов соответственно. Их масса может быть вычислена, когда мы знаем, благодаря экспериментам такого рода, скорость ионов в данном поле, и, с другой стороны — поскольку мы теперь можем оценить их электрический заряд — силу, которая их движет. Они, очевидно, движутся тем медленнее, чем они крупнее; и в вязкой среде, образованной газом, смещение осуществляется со скоростью, заметно пропорциональной движущей силе.

При обычной температуре эти массы относительно значительны и больше для положительных, чем для отрицательных ионов, то есть они составляют около порядка десяти молекул. Ионы, следовательно, кажутся образованными агломерацией нейтральных молекул, удерживаемых вокруг наэлектризованного центра электростатическим притяжением. Если температура повышается, тепловое движение станет достаточно сильным, чтобы помешать молекулам оставаться связанными с центром. По измерениям, проведенным на газах пламени, мы приходим к совершенно иным значениям масс, чем те, что найдены для обычных ионов, и, прежде всего, очень разным для ионов противоположного знака. Отрицательные ионы имеют гораздо более значительные скорости, чем положительные. Последние также кажутся того же размера, что и атомы; и первые, следовательно, должны рассматриваться как гораздо меньшие, и, вероятно, примерно в тысячу раз меньше.

Таким образом, впервые в науке появляется идея, что атом не является наименьшей частицей материи, которую следует рассматривать. Могут существовать фрагменты в тысячу раз меньше, которые обладают, однако, отрицательным зарядом. Это электроны, которые другие соображения снова приведут к нашему вниманию.

§ 3. КАК ПРОИЗВОДЯТСЯ ИОНЫ

Очень редко бывает, чтобы газообразная масса не содержала нескольких ионов. Они могли быть образованы по многим причинам, ибо, хотя для придания точности нашим исследованиям и для рассмотрения хорошо установленного случая я упоминал только ионизацию X-лучами в первом случае, я не должен создавать впечатление, что явление ограничивается этими лучами. Оно, напротив, очень общее, и ионизация так же хорошо производится катодными лучами, излучениями, испускаемыми радиоактивными телами, ультрафиолетовыми лучами, нагреванием до высокой температуры, некоторыми химическими действиями и, наконец, ударом ионов, уже существующих в нейтральных молекулах.

В последние годы эти новые вопросы были объектом множества исследований, и если не всегда удавалось избежать некоторой путаницы, все же можно сделать некоторые общие выводы. Ионизация пламенем, в частности, довольно хорошо известна. Чтобы она производилась спонтанно, по-видимому, должны существовать одновременно довольно высокая температура и химическое действие в газе. Согласно М. Моро, ионизация очень заметна, когда пламя содержит пар соли щелочного или щелочноземельного металла, но гораздо менее заметна, когда оно содержит пар других солей. Аррениус, мистер К. Т. Р. Вильсон и М. Моро изучили все обстоятельства явления; и кажется действительно, что существует довольно близкая аналогия между тем, что сначала происходит в солевых парах, и тем, что отмечается в жидких электролитах. Должна производиться, как только достигается определенная температура, диссоциация солевой молекулы; и, как показал М. Моро в серии очень хорошо проведенных исследований, ионы, образованные при температуре около 100°C, кажутся состоящими из наэлектризованного центра размером с молекулу газа, окруженного десятью слоями других молекул. Мы имеем дело, таким образом, с довольно крупными ионами, но, согласно мистеру Вильсону, это явление конденсации не влияет на число ионов, произведенных диссоциацией. По мере того как температура повышается, молекулы, сконденсированные вокруг ядра, исчезают, и, как и во всех других обстоятельствах, отрицательный ион стремится стать электроном, в то время как положительный ион продолжает оставаться размером с атом.

В других случаях обнаруживаются ионы, еще более крупные, чем ионы солевых паров, как, например, те, что производятся фосфором. Давно известно, что воздух в окрестности фосфора становится проводником, и этот факт, указанный еще в 1885 году Маттеуччи, был хорошо изучен различными экспериментаторами, например, ММ. Эльстером и Гейтелем в 1890 году. С другой стороны, в 1893 году мистер Барус установил, что приближение палочки фосфора вызывает конденсацию водяного пара, и мы действительно имеем перед собой, таким образом, в этом случае ионизацию. М. Блох преуспел в распутывании явлений, которые здесь очень сложны, и в показе того, что произведенные ионы имеют значительные размеры; ибо их скорость в тех же условиях в среднем в тысячу раз меньше, чем скорость ионов, обусловленных X-лучами. М. Блох установил также, что проводимость недавно приготовленных газов, уже изученная несколькими авторами, была аналогична той, что производится фосфором, и что она тесно связана с присутствием очень тонкой твердой или жидкой пыли, которую эти газы несут с собой, в то время как ионы того же порядка величины. Эти крупные ионы существуют, более того, в небольших количествах в атмосфере; и М. Ланжевен недавно преуспел в выявлении их присутствия.

Может случиться, и это не без того, чтобы значительно усложнить дело, что ионы, которые находились посреди материальных молекул, производят в результате столкновений новые деления в последних. Таким образом рождаются другие ионы, и это производство частично компенсируется рекомбинациями между ионами противоположных знаков. Удары будут более активными в случае, если газ помещен в силовое поле и давление незначительно, скорость, достигаемая тогда, больше и позволяет активной силе достичь высокого значения. Энергия, необходимая для производства иона, по сути, согласно профессору Резерфорду и профессору Штарку, является чем-то значительным, и она намного превышает аналогичную силу при электролитическом разложении.

Именно поэтому в трубках с разреженным газом эта ионизация ударом будет особенно ощутима. Это дает нам причину для аспекта, представленного трубками Гейсслера. Обычно в случае разрядов новые ионы, произведенные ударенными молекулами, добавляются к электронам, произведенным, как будет видно, катодом. Полная дискуссия привела к интерпретации всех известных фактов и к нашему пониманию, например, почему существуют яркие или темные пространства в определенных областях трубки. М. Пелла, в частности, привел несколько очень прекрасных примеров этого согласия между теорией и фактами, которые он искусно наблюдал.

Во всех обстоятельствах, следовательно, в которых появляются ионы, их образование, несомненно, было спровоцировано механизмом, аналогичным механизму удара. X-лучи, если они приписываются внезапным вариациям в эфире — то есть вариации двух векторов Герца, — сами производят внутри атома своего рода электрический импульс, который разбивает его на два наэлектризованных фрагмента; т. е. положительный центр, размером с саму молекулу, и отрицательный центр, состоящий из электрона в тысячу раз меньше. Вокруг этих двух центров при обычной температуре агломерируются путем притяжения другие молекулы, и таким образом формируются ионы, свойства которых только что были изучены.

§ 4. ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛАХ

Успех ионной гипотезы как интерпретации проводимости электролитов и газов подсказал желание попробовать, может ли аналогичная гипотеза представлять обычную проводимость металлов. Мы таким образом ведомы к концепциям, которые на первый взгляд кажутся дерзкими, потому что они противоречат нашим привычкам мышления. Они не должны, однако, быть отвергнуты по этой причине. Электролитическая диссоциация поначалу, безусловно, казалась по меньшей мере странной; однако она закончила тем, что навязала себя нам, и мы могли бы в настоящее время едва ли обойтись без образа, который она представляет нам.

Идея о том, что проводимость металлов не существенно отличается от проводимости электролитических жидкостей или газов в том смысле, что прохождение тока связано с переносом мелких наэлектризованных частиц, уже давнего происхождения. Она была высказана В. Вебером, а затем развита Гизе, но получила свой истинный масштаб только благодаря эффекту недавних открытий. Именно исследования Рике, позже Друде и, прежде всего, Дж. Дж. Томсона позволили ей принять приемлемую форму. Все эти попытки связаны, однако, с общей теорией Лоренца, которую мы рассмотрим позже.

Будет допущено, что металлические атомы могут, подобно солевой молекуле в растворе, частично диссоциировать себя. Электроны, гораздо меньшие, чем атомы, могут двигаться через структуру, значительную для них, которая образована атомом, от которого они только что были отделены. Они могут быть сравнены с молекулами газа, который заключен в пористом теле. В обычных условиях, несмотря на большую скорость, с которой они одушевлены, они не способны преодолевать большие расстояния, потому что они быстро находят свою дорогу заблокированной материальным атомом. Они должны подвергаться бесчисленным ударам, которые бросают их сначала в одном направлении, а затем в другом. Прохождение тока — это своего рода поток этих электронов в определенном направлении. Этот электрический поток приносит, однако, никакой модификации в материальную среду, через которую он проходит, поскольку каждый электрон, который исчезает в какой-либо точке, заменяется другим, который появляется сразу, и во всех металлах электроны идентичны.

Эта гипотеза ведет нас к предвидению определенных фактов, которые опыт подтверждает. Так, Дж. Дж. Томсон показывает, что если в определенных условиях проводник помещен в магнитное поле, ионы должны описывать эпициклоиду, и их путь таким образом удлиняется, в то время как электрическое сопротивление должно увеличиваться. Если поле находится в направлении смещения, они описывают спирали вокруг линий силы, и сопротивление снова увеличивается, но в других пропорциях. Различные экспериментаторы отмечали явления такого рода в различных веществах.

Долгое время было замечено, что существует отношение между калорической и электрической проводимостью; отношение этих двух проводимостей заметно одинаково для всех металлов. Современная теория стремится показать просто, что это действительно должно быть так. Калорическая проводимость обусловлена, по сути, обменом электронов между горячими и холодными областями, причем нагретые электроны имеют большую скорость и, следовательно, более значительную энергию. Калорические обмены затем подчиняются законам, аналогичным тем, которые управляют электрическими обменами; и вычисление даже ведет к точным значениям, которые дали измерения.

Таким же образом профессор Гезехус объяснил, как возникает контактная электризация: благодаря стремлению тел выравнивать свои поверхностные свойства посредством переноса электронов; а г-н Джинс показал, что мы должны обнаружить существование хорошо известных законов распределения по проводящим телам, находящимся в электростатическом равновесии. Металл, по сути, может быть электризован, то есть обладать избытком положительных или отрицательных электронов, которые не могут легко покинуть его в обычных условиях. Чтобы заставить их сделать это, потребовалось бы значительное количество работы из-за огромной разницы удельных индуктивных емкостей металла и изолирующей среды, в которую он погружен.

Однако электроны, которые при достижении поверхности металла обладали кинетической энергией, превышающей эту работу, могли быть выброшены наружу и высвободиться, подобно тому как пар испаряется из жидкости. Теперь, согласно кинетической теории, число этих быстрых электронов, поначалу очень незначительное, увеличивается при повышении температуры, и поэтому мы должны считать, что проволока при нагревании испускает электроны, то есть теряет отрицательное электричество и посылает в окружающую среду наэлектризованные центры, способные вызывать явления ионизации. Эдисон в 1884 году показал, что из нити лампы накаливания вылетают отрицательные электрические заряды. С тех пор Ричардсон и Дж. Дж. Томсон исследовали аналогичные явления. Это испускание является весьма общим явлением, которое, несомненно, играет значительную роль в космической физике. Профессор Аррениус объясняет, например, полярные сияния действием подобных корпускул, испускаемых Солнцем.

В других явлениях мы, по-видимому, действительно сталкиваемся с испусканием не отрицательных электронов, а положительных ионов. Так, когда проволока нагревается не в вакууме, а в газе, она начинает электризовать соседние тела положительно. Дж. Дж. Томсон измерил массу этих положительных ионов и нашел ее значительной, т. е. примерно в 150 раз превышающей массу атома водорода. Некоторые из них еще крупнее и представляют собой почти настоящую пылинку. Здесь мы, несомненно, встречаемся с явлениями дезагрегации, которым подвергаются металлы при калении.

ГЛАВА IX

КАТОДНЫЕ ЛУЧИ И РАДИОАКТИВНЫЕ ТЕЛА

§ 1. КАТОДНЫЕ ЛУЧИ

Проволока, по которой проходит электрический ток, является, как только что было объяснено, местом движения электронов. Если мы перережем эту проволоку, поток электронов, подобно току воды, который в месте разрыва трубы вырывается наружу в изобилии, по-видимому, хлынет между двумя концами разрыва.

Если энергия электронов достаточна, эти электроны действительно устремятся вперед и будут распространяться в воздухе или в промежуточной изолирующей среде; но явления разряда в целом будут очень сложными. Мы рассмотрим здесь только один особенно простой случай, а именно случай катодных лучей; и, не вдаваясь в подробности, мы отметим лишь результаты, относящиеся к этим лучам, которые дают ценные аргументы в пользу электронной гипотезы и поставляют прочный материал для построения новых теорий электричества и материи.

Долгое время было замечено, что явления в трубке Гейсслера значительно меняют свой вид, когда давление газа становится очень низким, однако без образования полного вакуума. От катода перпендикулярно и по прямой линии испускается поток внутри трубки — темный, но способный воздействовать на фотопластинку, вызывать флуоресценцию различных веществ (особенно стеклянных стенок трубки) и производить тепловые и механические эффекты. Это и есть катодные лучи, названные так в 1883 году Э. Видеманом, и их название, которое было неизвестно большому числу физиков еще двенадцать лет назад, стало популярным в наши дни.

Примерно в 1869 году Гитторф провел их уже весьма полное исследование и выявил их основные свойства; но именно исследования сэра У. Крукса привлекли к ним особое внимание. Знаменитый физик предвидел, что явления, которые таким образом происходили в разреженных газах, были, несмотря на свою очень большую сложность, более простыми, чем те, которые представляет материя в условиях, в которых она обычно встречается.

Он разработал знаменитую теорию, уже не приемлемую в полном объеме, поскольку она не находится в полном согласии с фактами, которая, однако, была очень интересной и содержала в зародыше некоторые из наших нынешних идей. По мнению Крукса, в трубке, в которой газ был разрежен, мы находимся в присутствии особого состояния материи. Число молекул газа стало достаточно малым для того, чтобы их независимость была почти абсолютной, и они способны в этом так называемом лучистом состоянии преодолевать большие пространства, не отклоняясь от прямой линии. Катодные лучи обусловлены своего рода молекулярной бомбардировкой стенок трубок и экранов, которые могут быть введены в них; и именно молекулы, наэлектризованные при контакте с катодом, а затем принудительно отброшенные электростатическим действием, производят своим движением и своей живой силой все наблюдаемые явления. Более того, эти наэлектризованные молекулы, движущиеся с чрезвычайно высокими скоростями, соответствуют, согласно теории, подтвержденной знаменитым экспериментом Роуланда с конвекционными токами, истинному электрическому току и могут отклоняться магнитом.

Несмотря на успех экспериментов Крукса, многие физики — особенно немцы — не отказались от гипотезы, совершенно отличной от гипотезы лучистой материи. Они продолжали рассматривать катодное излучение как обусловленное особыми излучениями природы, еще малоизвестной, но происходящими в светоносном эфире. Эта интерпретация, казалось, действительно была обречена в 1894 году на окончательное торжество благодаря замечательному открытию Ленарда — открытию, которое, в свою очередь, должно было спровоцировать так много других и привести к последствиям, важность которых кажется с каждым днем все более значительной.

Основная идея профессора Ленарда заключалась в изучении катодных лучей в условиях, отличных от тех, в которых они производятся. Эти лучи рождаются в очень разреженном пространстве, в условиях, идеально определенных сэром У. Круксом; но вопрос заключался в том, будут ли они, будучи однажды произведенными, способны распространяться в других средах, таких как газ при обычном давлении или даже в абсолютном вакууме. Только эксперимент мог ответить на этот вопрос, но на пути к этому стояли трудности, которые казались почти непреодолимыми. Лучи задерживаются стеклом даже небольшой толщины, и как тогда можно было отделить почти безвоздушное пространство, в котором они должны возникнуть, от пространства, абсолютно безвоздушного или заполненного газом, в которое их желали ввести?

Использованная уловка была подсказана профессору Ленарду экспериментом Герца. Великий физик, действительно, незадолго до своей преждевременной смерти занялся этим важным вопросом о катодных лучах, и его гений оставил там, как и везде, свой мощный след. Он показал, что металлические пластинки очень малой толщины прозрачны для катодных лучей; и профессору Ленарду удалось получить пластинки, непроницаемые для воздуха, но которые все же пропускали пучок катодных лучей.

Теперь, если мы возьмем трубку Крукса с герметично закрытым концом металлической пластинкой со щелью по диаметру шириной 1 мм и закроем эту щель листом очень тонкого алюминия, сразу же будет замечено, что лучи проходят сквозь алюминий и выходят наружу трубки. Они распространяются в воздухе при атмосферном давлении, и они также могут проникать в абсолютный вакуум. Поэтому их больше нельзя приписывать лучистой материи, и мы приходим к мысли, что энергия, задействованная в этом явлении, должна иметь свое местопребывание в самом светоносном эфире.

Но это очень странный свет, который таким образом подвержен магнитному действию, который не подчиняется принципу равенства углов и для которого самые разные газы являются уже возмущенными средами. Согласно Круксу, он обладает также своеобразным свойством нести с собой электрические заряды.

Эта конвекция отрицательного электричества катодными лучами кажется совершенно необъяснимой в гипотезе о том, что лучи являются эфирными излучениями. Тогда ничего не оставалось, чтобы поддержать эту гипотезу, кроме как отрицать конвекцию, которая, к тому же, была установлена лишь косвенными экспериментами. То, что реальность этого переноса была поставлена вне сомнения с помощью чрезвычайно изящного эксперимента, который тем более убедителен, что он очень прост, — заслуга М. Перрена. Внутри трубки Крукса он собрал пучок катодных лучей в металлический цилиндр. Согласно элементарным принципам электричества, цилиндр должен зарядиться всем зарядом, если таковой имеется, принесенным к нему лучами, и, естественно, пришлось принять различные меры предосторожности. Но результат был очень точным, и сомнений больше быть не могло — лучи были наэлектризованы.

Можно было утверждать, и действительно утверждали некоторое время после публикации этого эксперимента, что, хотя явления внутри трубки сложны, снаружи все может происходить иначе. Сам Ленард, однако, с тем отсутствием даже невольной предвзятости, свойственным всем великим умам, взялся доказать, что мнение, которого он придерживался поначалу, больше не может быть принято, и преуспел в повторении эксперимента М. Перрена с катодными лучами в воздухе и даже в вакууме.

На обломках двух противоречивых гипотез, таким образом разрушенных, и из материалов, из которых они были построены, была создана теория, которая координирует все известные факты. Эта теория, кроме того, тесно связана с теорией ионизации и, подобно последней, основана на концепции электрона. Катодные лучи — это электроны в быстром движении.

Явления, происходящие как внутри, так и снаружи трубки Крукса, однако, как правило, сложны. В первых экспериментах Ленарда и во многих других, проведенных позже, когда эта область физики была еще очень мало известна, можно заметить несколько путаниц даже в наши дни.

В том месте, где катодные лучи ударяются о стенки трубки, появляются существенно иные рентгеновские лучи. Они отличаются от катодных излучений тем, что не являются наэлектризованными и не отклоняются магнитом. В свою очередь, эти рентгеновские лучи могут порождать вторичные лучи М. Саньяка; и часто мы оказываемся в присутствии эффектов от этих последних излучений, а не от истинных катодных лучей.

Электроны, когда они распространяются в газе, могут ионизировать молекулы этого газа и соединяться с нейтральными атомами, образуя отрицательные ионы, в то время как появляются и положительные ионы. Также образуются, за счет газа, остающегося после разрежения внутри трубки, положительные ионы, которые, притягиваясь к катоду и достигая его, не все нейтрализуются отрицательными электронами и могут, если катод перфорирован, пройти сквозь него, а если нет, то обогнуть его. Мы имеем тогда то, что называется каналовыми лучами Гольдштейна, которые отклоняются электрическим или магнитным полем в направлении, противоположном катодным лучам; но, будучи крупнее, дают слабые отклонения или могут даже оставаться неотклоненными, теряя свой заряд при прохождении через катод.

Может быть также, что части стенок на расстоянии от катода посылают положительный поток к последнему по аналогичному механизму. Может быть, опять же, что в некоторых областях трубки встречаются катодные лучи, рассеянные каким-либо твердым объектом, не изменив при этом своей природы. Все эти сложности были прояснены М. Вилларом, который опубликовал по этим вопросам несколько удивительно остроумных и особенно тщательных экспериментов.

М. Виллар также изучил явления скручивания лучей в поле, как уже указывали Гитторф и Плюккер. Когда магнитное поле действует на катодную частицу, последняя следует по траектории, как правило, геликоидальной, что и предсказывается теорией. Мы здесь имеем дело с вопросом баллистики, и эксперименты должным образом подтверждают ожидания расчета. Тем не менее, довольно своеобразные явления появляются в случае определенных значений поля, и эти явления, смутно увиденные Плюккером и Биркеландом, были объектом экспериментов М. Виллара. Две стороны катода, по-видимому, испускают лучи, которые отклоняются в направлении, перпендикулярном силовым линиям электрическим полем, и не кажутся наэлектризованными. М. Виллар называет их магнито-катодными лучами, и, согласно М. Фортену, эти лучи могут быть обычными катодными лучами, но с очень малой скоростью.

В некоторых случаях сам катод может поверхностно дезагрегироваться, и отделяются чрезвычайно тонкие частицы, которые, будучи унесены под прямым углом к его поверхности, могут оседать подобно очень тонкой пленке на объектах, помещенных на их пути. Различные физики, среди них М. Уллевиг, изучали это явление, и в случае давлений между 1/20 и 1/100 миллиметра последний ученый получил зеркала из большинства металлов — явление, которое он обозначает названием ионопластика.

Но несмотря на все эти побочные явления, которые даже иногда скрывают те, что наблюдались первыми, существование электрона в катодном потоке остается существенной характеристикой.

Электрон может быть обнаружен в катодном луче путем изучения его существенных свойств; и Дж. Дж. Томсон придал большое значение этой гипотезе своими измерениями. Сначала он намеревался определить скорость катодных лучей прямым экспериментом и путем наблюдения во вращающемся зеркале относительного смещения двух полос, вызванного возбуждением двух флуоресцентных экранов, помещенных на разных расстояниях от катода. Но он вскоре заметил, что эффект флуоресценции не является мгновенным и что промежуток времени может стать большим источником ошибки, и тогда он прибег к косвенным методам. Можно простым расчетом оценить отклонения, производимые на лучах магнитным и электрическим полем соответственно, как функцию скорости распространения и отношения заряда к материальной массе электрона. Измерение этих отклонений позволит тогда установить эту скорость и это отношение.

Могут быть использованы другие процессы, которые все дают те же две величины путем двух подходящим образом выбранных измерений. Таковы радиус кривой, принимаемой траекторией пучка в перпендикулярном магнитном поле, и измерение падения потенциала, при котором происходит разряд, или измерение общего количества электричества, переносимого за одну секунду, и измерение тепловой энергии, которая может быть передана за тот же период термоэлектрическому спаю. Результаты согласуются настолько хорошо, насколько можно ожидать, принимая во внимание сложность экспериментов; значения скорости также согласуются с теми, которые профессор Вихерт получил путем прямого измерения.

Скорость никогда не зависит от природы газа, содержащегося в трубке Крукса, но варьируется в зависимости от величины падения потенциала на катоде. Она составляет порядка одной десятой скорости света и может подниматься до одной трети. Таким образом, катодная частица движется примерно в три тысячи раз быстрее Земли на ее орбите. Отношение также неизменно, даже когда меняется вещество, из которого сформирован катод, или один газ заменяется другим. Оно, в среднем, в тысячу раз больше соответствующего отношения в электролизе. Как показал эксперимент, во всех обстоятельствах, где можно было провести измерения, равенство зарядов, переносимых всеми корпускулами, ионами, атомами и т. д., мы должны считать, что заряд электрона здесь, опять же, равен заряду одновалентного иона в электролизе, и, следовательно, его масса составляет лишь малую долю массы атома водорода, а именно порядка одной тысячной части. Это тот же результат, к которому нас привело изучение пламени.

Тщательное исследование катодного излучения, таким образом, подтверждает нас в идее, что каждый материальный атом может быть диссоциирован и даст электрон, гораздо меньший, чем он сам — и всегда идентичный, независимо от того, из какого вещества он происходит, — остальная часть атома остается заряженной положительным количеством, равным и противоположным тому, которое несет электрон. В данном случае эти положительные ионы, несомненно, те, которые мы снова встречаем в каналовых лучах. Профессор Вин показал, что их масса действительно, по сути, порядка массы атомов. Хотя все они образованы идентичными электронами, могут существовать различные катодные лучи, потому что скорость не совсем одинакова для всех электронов. Так объясняется тот факт, что мы можем разделить их и что мы можем создать своего рода спектр действием магнита или, опять же, как показал М. Деландр в очень интересном эксперименте, действием электростатического поля. Это также, вероятно, объясняет явления, изученные М. Вилларом и ранее указанные.

§ 2. РАДИОАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Даже в обычных условиях некоторые вещества, называемые радиоактивными, испускают, совершенно вне какой-либо особой реакции, излучения, действительно сложные, но которые проходят через довольно тонкие слои минералов, воздействуют на фотопластинки, возбуждают флуоресценцию и ионизируют газы. В этих излучениях мы снова находим электроны, которые таким образом спонтанно вылетают из радиоактивных тел.

Нет необходимости приводить здесь историю открытия радия, ибо каждый знает об удивительных исследованиях М. и мадам Кюри. Но после этих первых исследований за последние шесть лет накопилось большое количество фактов, среди которых некоторые люди чувствуют себя немного потерянными. Возможно, будет не бесполезно указать основные фактически полученные результаты.

Исследования радиоактивных веществ имеют своей отправной точкой открытие лучей урана, сделанное М. Беккерелем в 1896 году. Еще в 1867 году Ньепс де Сен-Виктор доказал, что соли урана воздействуют на фотопластинки в темноте; но в то время явление могло сойти лишь за особенность, приписываемую фосфоресценции, и ценные замечания Ньепса были преданы забвению. М. Беккерель установил, после некоторых колебаний, естественных перед лицом явлений, которые казались столь противоречащими принятым идеям, что излучающее свойство абсолютно независимо от фосфоресценции, что все соли урана, даже урановые соли, которые не являются фосфоресцирующими, дают схожие лучистые эффекты и что эти явления соответствуют непрерывному испусканию энергии, но не кажутся результатом накопления энергии под влиянием какого-либо внешнего излучения. Спонтанное и постоянное, излучение нечувствительно к изменениям температуры и света.

Природа этих излучений не была сразу понята, и их свойства казались противоречивыми. Это было потому, что мы имели дело не с одной категорией лучей. Но среди всех эффектов есть один, который составляет для излучений, взятых в целом, настоящий процесс измерения радиоактивности. Это их ионизирующее действие на газы. Очень полное исследование проводимости воздуха под влиянием лучей урана было проведено различными физиками, в частности профессором Резерфордом, и показало, что законы этого явления такие же, как и законы ионизации, обусловленной действием рентгеновских лучей.

Естественно было задаться вопросом, является ли свойство, обнаруженное в солях урана, специфическим для этого тела или же оно не является, в той или иной степени, общим свойством материи. Мадам Кюри и М. Шмидт независимо друг от друга провели систематические исследования, чтобы решить этот вопрос; различные соединения почти всех простых тел, известных в настоящее время, были таким образом рассмотрены, и было установлено, что радиоактивность особенно заметна в соединениях урана и тория и что это атомное свойство, связанное с материей, наделенной им, и следующее за ним во всех его соединениях. В ходе своих исследований мадам Кюри заметила, что некоторые урановые смолки (руда оксида урана, содержащая также барий, висмут и т. д.) были в четыре раза активнее (активность измерялась явлением ионизации воздуха), чем металлический уран. Теперь, никакое соединение, содержащее какой-либо другой активный металл, кроме урана или тория, не должно проявлять себя более активным, чем сами эти металлы, поскольку свойство принадлежит их атомам. Казалось, поэтому вероятным, что в урановых смолках существует какое-то вещество, еще неизвестное, в малых количествах и более радиоактивное, чем уран.

М. и мадам Кюри затем начали те знаменитые эксперименты, которые привели их к открытию радия. Их метод исследования был справедливо сравнен по оригинальности и важности с процессом спектрального анализа. Чтобы выделить радиоактивное вещество, первое дело — измерить активность определенного соединения, подозреваемого в содержании этого вещества, и это соединение химически разделяется. Затем мы снова берем в руки все полученные продукты и, измеряя их активность заново, устанавливаем, осталось ли искомое вещество в одном из этих продуктов или распределено между ними, и если да, то в какой пропорции. Спектроскопическая реакция, которую мы можем использовать в ходе этого разделения, в тысячу раз менее чувствительна, чем наблюдение активности с помощью электрометра.

Хотя принцип, на котором покоится операция концентрирования радия, восхитителен своей простотой, его применение, тем не менее, очень трудоемко. Тонны урановых остатков должны быть обработаны, чтобы получить несколько дециграммов чистых солей радия. Радий характеризуется особым спектром, и его атомный вес, определенный мадам Кюри, равен 225; он, следовательно, является высшим гомологом бария в одной из групп Менделеева. Соли радия в целом обладают теми же химическими свойствами, что и соответствующие соли бария, но отличаются от них различиями в растворимости, которые позволяют их разделение, и своей огромной активностью, которая примерно в сто тысяч раз больше активности урана.

Радий производит различные химические и некоторые очень интенсивные физиологические реакции. Его соли светятся в темноте, но эта светимость, поначалу очень яркая, постепенно уменьшается по мере старения солей. Мы имеем здесь дело с вторичной реакцией, коррелятивной производству эманации, после чего радий претерпевает трансформации, которые будут изучены позже.

Метод анализа, основанный М. и мадам Кюри, позволил обнаружить другие тела, проявляющие заметную радиоактивность. Щелочные металлы, по-видимому, обладают этим свойством в слабой степени. Недавно выпавший снег и минеральные воды проявляют заметное действие. Явление часто может быть обусловлено, однако, радиоактивностью, наведенной излучениями, уже существующими в атмосфере. Но эта радиоактивность едва достигает десятитысячной части той, что представлена ураном, или десятимиллионной части той, что принадлежит радию.

Два других тела, полоний и актиний, одно из которых характеризуется особым характером излучений, которые оно испускает, а другое — особым спектром, по-видимому, также существуют в урановой смолке. Эти химические свойства еще не были идеально определены; так, М. Дебьерн, открывший актиний, смог отметить активное свойство, которое, по-видимому, принадлежит ему, иногда в лантане, иногда в неодиме. Доказано, что все чрезвычайно радиоактивные тела являются местом непрестанных трансформаций, и даже сейчас мы не можем указать условия, при которых они представляют себя в строго определенной форме.

§ 3. ИЗЛУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ТЕЛ И ЭМАНАЦИЯ

Чтобы приобрести точные представления о природе лучей, испускаемых радиоактивными телами, необходимо было попытаться заставить магнитные или электрические силы действовать на них, чтобы увидеть, ведут ли они себя так же, как свет и рентгеновские лучи, или же, подобно катодным лучам, они отклоняются магнитным полем. Эта работа была выполнена профессором Гизелем, затем М. Беккерелем, профессором Резерфордом и многими другими экспериментаторами после них. Все методы, которые уже были упомянуты в принципе, были использованы для того, чтобы обнаружить, наэлектризованы ли они, и если да, то электричеством какого знака, измерить их скорость и установить их степень проникновения.

Общим результатом стало различение трех видов излучений, обозначенных буквами альфа, бета, гамма.

Альфа-лучи положительно заряжены и проецируются со скоростью, которая может достигать десятой части скорости света; М. А. Беккерель показал с помощью фотографии, что они отклоняются магнитом, а профессор Резерфорд, со своей стороны, изучил это отклонение электрическим методом. Отношение заряда к массе в случае этих лучей того же порядка, что и в случае ионов электролиза. Они могут, следовательно, считаться точно аналогичными каналовым лучам Гольдштейна, и мы можем приписать их материальному переносу корпускул величиной с атомы. Относительно значительный размер этих корпускул делает их очень поглощаемыми. Полета в несколько миллиметров в газе достаточно, чтобы уменьшить их число наполовину. Они обладают большой ионизирующей способностью.

Бета-лучи во всех отношениях подобны катодным лучам; они, как показали М. и мадам Кюри, отрицательно заряжены, и заряд, который они несут, всегда один и тот же. Их размер — размер электронов, и их скорость, как правило, больше скорости катодных лучей, в то время как она может стать почти равной скорости света. Они обладают примерно в сто раз меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-лучи.

Гамма-лучи были открыты М. Вилларом. Их можно сравнить с рентгеновскими лучами; подобно последним, они не отклоняются магнитным полем и также чрезвычайно проникающие. Полоска алюминия толщиной пять миллиметров остановит другие виды, но позволит им пройти. С другой стороны, их ионизирующая способность в 10 000 раз меньше, чем у альфа-лучей.

К этим излучениям иногда добавляются в ходе экспериментов вторичные излучения, аналогичные излучениям М. Саньяка, и возникающие, когда альфа-, бета- или гамма-лучи встречают различные вещества. Эта сложность часто приводила к некоторым ошибкам наблюдения.

Фосфоресценция и флуоресценция, по-видимому, особенно являются результатом альфа- и бета-лучей, особенно альфа-лучей, к которым относится самая важная часть общей энергии излучения. Сэр У. Крукс изобрел любопытный маленький аппарат, спинтарископ, который позволяет нам исследовать фосфоресценцию бленды, возбуждаемую этими лучами. С помощью увеличительного стекла наблюдается экран, покрытый сульфидом цинка, и перед ним расположен, на расстоянии около полумиллиметра, фрагмент какой-либо соли радия. Мы тогда замечаем множество блестящих точек на экране, которые появляются и тут же исчезают, производя мерцающий эффект. Кажется вероятным, что каждая частица, падающая на экран, производит своим ударом возмущение в соседней области, и именно это возмущение глаз воспринимает как светящуюся точку. Таким образом, говорит сэр У. Крукс, каждая капля дождя, падающая на поверхность стоячей воды, не воспринимается как капля дождя, но по причине легкого всплеска, который она вызывает в момент удара и который проявляется гребнями и волнами, распространяющимися кругами.

Различные радиоактивные вещества не все дают излучения идентичного состава. Радий и торий обладают в несколько больших пропорциях тремя видами лучей, и то же самое с актинием. Полоний содержит особенно альфа-лучи и несколько гамма-лучей. В случае урана альфа-лучи обладают чрезвычайно слабой проникающей способностью и не могут даже воздействовать на фотопластинки. Но самое широкое различие между веществами происходит от эманации. Радий, в дополнение к трем группам лучей альфа, бета и гамма, высвобождает непрерывно чрезвычайно тонкую эманацию, кажущуюся почти невесомой, но которая может, по многим причинам, рассматриваться как пар, упругая сила которого чрезвычайно слаба.

М. и мадам Кюри обнаружили еще в 1899 году, что каждое вещество, помещенное вблизи радия, само приобретало радиоактивность, которая сохранялась в течение нескольких часов после удаления радия. Эта наведенная радиоактивность, по-видимому, переносится на другие тела посредством газа. Она огибает препятствия, но между радием и веществом должно существовать свободное и непрерывное пространство для того, чтобы активация произошла; она не может, например, сделать это через стеклянную стену.

В случае соединений тория профессор Резерфорд обнаружил аналогичное явление; с тех пор различные физики, профессор Содди, мисс Брукс, мисс Гейтс, М. Данн и другие, изучали свойства этих эманаций.

Эманирующее вещество нельзя ни взвесить, ни установить его упругую силу; но его трансформации могут быть прослежены, так как оно светящееся, и оно еще более определенно характеризуется своим существенным свойством, т. е. своей радиоактивностью. Мы также видим, что его можно декантировать как газ, что оно будет делиться между двумя трубками разной емкости в соответствии с законом Мариотта и будет конденсироваться в охлажденной трубке в соответствии с принципом Уатта, в то время как оно даже подчиняется закону Гей-Люссака.

Активность эманации исчезает быстро, и в конце четырех дней она уменьшилась наполовину. Если соль радия нагревается, эманация становится более обильной, а остаток, который, однако, не уменьшается заметно в весе, потеряет всю свою радиоактивность и будет восстанавливать ее только постепенно. Профессор Резерфорд, несмотря на многие различные попытки, не смог заставить эту эманацию вступить в какую-либо химическую реакцию. Если это газообразное тело, оно должно быть частью группы аргона и, подобно другим ее членам, быть совершенно инертным.

Изучая спектр газа, высвобождаемого раствором соли радия, сэр Уильям Рамзай и профессор Содди заметили, что когда газ радиоактивен, сначала получаются лучи газов, принадлежащих к семейству аргона, затем постепенно, по мере исчезновения активности, спектр медленно меняется и, наконец, представляет характерный вид гелия.

Мы знаем, что существование этого газа было впервые обнаружено спектральным анализом на Солнце. Позже его присутствие было отмечено в нашей атмосфере и в нескольких минералах, которые оказываются именно теми, из которых был получен радий. Поэтому могло бы быть так, что он существовал заранее в газах, извлеченных из радия; но замечательный эксперимент М. Кюри и сэра Джеймса Дьюара, по-видимому, убедительно показывает, что этого не может быть. Спектр гелия никогда не появляется сначала в газе, исходящем из чистого бромида радия; но он проявляется, с другой стороны, очень отчетливо после радиоактивных трансформаций, претерпеваемых солью.

Все эти странные явления предполагают смелые гипотезы, но чтобы построить их с какой-либо прочностью, они должны быть поддержаны как можно большим числом фактов. Прежде чем допустить окончательное объяснение явлений, которые имеют свое местопребывание в любопытных веществах, открытых ими, М. и мадам Кюри считали, с большим основанием, что они должны сначала обогатить наши знания точными и определенными фактами, относящимися к этим телам и к эффектам, производимым излучениями, которые они испускают.

Так М. Кюри особенно поставил себе целью изучить способ, которым рассеивается радиоактивность эманации, и радиоактивность, которую эта эманация может навести на все тела. Радиоактивность эманации уменьшается в соответствии с экспоненциальным законом. Константа времени, которая характеризует это уменьшение, легко и точно определяется и имеет фиксированное значение, независимое от условий эксперимента, а также от природы газа, который находится в контакте с радием и заряжается эманацией. Регулярность явления настолько велика, что его можно использовать для измерения времени: за 3985 секунд активность всегда уменьшается наполовину.

Радиоактивность, наведенная на любое тело, которое долгое время находилось в присутствии соли радия, исчезает быстрее. Явление представляется, более того, более сложным, и формула, которая выражает способ, которым активность уменьшается, должна содержать две экспоненты. Чтобы найти ее теоретически, мы должны представить, что эманация сначала осаждает на рассматриваемом теле вещество, которое разрушается, давая жизнь второму, последнее исчезает в свою очередь, порождая третье. Начальное и конечное вещества были бы радиоактивными, но промежуточное — нет. Если, более того, тела, на которые воздействуют, доводятся до температуры свыше 700°, они, по-видимому, теряют путем волатилизации некоторые вещества, сконденсированные в них, и в то же время их активность исчезает.

Другие радиоактивные тела ведут себя аналогичным образом. Тела, которые содержат актиний, особенно богаты эманациями. Уран, напротив, не имеет их. Это тело, тем не менее, является местом трансформаций, сравнимых с теми, которые изучение эманаций выявляет в радии; сэр У. Крукс отделил от урана материю, которая теперь называется ураном X. Эта материя поначалу гораздо активнее своего родителя, но ее активность уменьшается быстро, в то время как обычный уран, который во время разделения теряет свою активность, восстанавливает ее постепенно. Таким же образом профессора Резерфорд и Содди обнаружили так называемый торий X, который является стадией, через которую обычный торий должен пройти, чтобы произвести свою эманацию.

Невозможно дать полную таблицу, которая должна была бы, так сказать, представлять генеалогическое древо различных радиоактивных веществ. Несколько авторов пытались сделать это, но преждевременным образом; все аффилиации в настоящее время еще не известны идеально, и, несомненно, будет признано когда-нибудь, что идентичные состояния были описаны под разными именами.

§ 4. ДЕЗАГРЕГАЦИЯ МАТЕРИИ И АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Несмотря на неопределенности, которые еще не полностью устранены, нельзя отрицать, что многие эксперименты делают вероятным, что в радиоактивных телах мы оказываемся свидетелями настоящих трансформаций материи.

Профессор Резерфорд, профессор Содди и несколько других физиков пришли к рассмотрению этих явлений следующим образом. Радиоактивное тело состоит из атомов, которые обладают малой стабильностью и способны спонтанно отделяться от родительского вещества и в то же время делиться на две существенные составные части: отрицательный электрон и его остаток — положительный ион. Первое составляет бета-, а второе — альфа-лучи.

Эманация, безусловно, состоит из альфа-ионов с несколькими молекулами, агломерированными вокруг них. Профессор Резерфорд, по сути, продемонстрировал, что эманация заряжена положительным электричеством; и эта эманация может, в свою очередь, быть разрушена, давая жизнь новым телам.

После потери атомов, которые уносятся излучением, остаток тела приобретает новые свойства, но он может все еще быть радиоактивным и снова терять атомы. Различные стадии, которые мы встречаем в эволюции радиоактивного вещества или его эманации, соответствуют различным степеням атомной дезагрегации. Профессора Резерфорд и Содди описали их ясно в случае урана и радия. Что касается тория, результаты менее удовлетворительны. Эволюция должна продолжаться до тех пор, пока наконец не будет достигнуто стабильное атомное состояние, которое из-за этой стабильности больше не является радиоактивным. Так, например, радий в конечном итоге превратился бы в гелий.

Возможно, путем соображений, аналогичных тем, что изложены выше в других случаях, прийти к идее об общем числе частиц в секунду, выбрасываемых одним граммом радия; профессор Резерфорд в своей самой последней оценке находит, что это число приближается к 2,5 x 10^11. Вычисляя из атомного веса число атомов, вероятно содержащихся в этом грамме радия, и предполагая, что каждая освобожденная частица соответствует разрушению одного атома, обнаруживается, что одна половина радия должна исчезнуть за 1280 лет; и из этого мы можем понять, что еще не удалось обнаружить какую-либо заметную потерю веса. Сэр У. Рамзай и профессор Содди достигли схожего результата, пытаясь оценить массу эманации по количеству произведенного гелия.

Если радий трансформируется таким образом, что его активность не сохраняется на протяжении веков, он теряет мало-помалу запас энергии, который имел в начале, и его свойства не дают веского аргумента, чтобы противопоставить принципу сохранения энергии. Чтобы все исправить, нам нужно только признать, что радий обладал в потенциальном состоянии при своем образовании конечным количеством энергии, которое потребляется мало-помалу. Таким же образом химическая система, состоящая, например, из цинка и серной кислоты, также содержит в потенциальном состоянии энергию, которая, если мы замедлим реакцию каким-либо подходящим устройством — например, амальгамируя цинк и составляя из его элементов батарею, которую мы заставляем действовать на сопротивление, — может быть заставлена исчерпать себя так медленно, как можно пожелать.

Не может быть, следовательно, ничего удивительного в том факте, что комбинация, которая, подобно атомной комбинации радия, не является стабильной — поскольку она дезагрегирует себя, — способна спонтанно высвобождать энергию, но что может быть немного удивительным, на первый взгляд, так это значительное количество этой энергии.

М. Кюри вычислил непосредственно, с помощью калориметра, количество высвобожденной энергии, измеряя ее полностью в форме тепла. Выделение тепла, учитываемое в гране радия, равномерно и составляет 100 калорий в час. Должно, следовательно, быть признано, что атом радия, дезагрегируя себя, высвобождает в 30 000 раз больше энергии, чем молекула водорода, когда последняя соединяется с атомом кислорода, чтобы образовать молекулу воды.

Мы можем спросить себя, как атомное здание активного тела может быть построено, чтобы содержать столь большой запас энергии. Мы заметим, что такой вопрос мог бы быть задан относительно случаев, известных с самой глубокой древности, как случай химических систем, без того, чтобы когда-либо был дан удовлетворительный ответ. Эта неудача никого не удивляет, ибо мы привыкаем ко всему — даже к поражению.

Когда мы приходим к решению новой проблемы, мы действительно не имеем права проявлять себя более требовательными; однако находятся люди, которые отказываются признать гипотезу атомной дезагрегации радия, потому что им не может быть представлен подробный план того сложного целого, известного нам как атом.

Самая естественная идея, возможно, та, что подсказана сравнением с теми астрономическими явлениями, где наше наблюдение наиболее охотно позволяет нам понять законы движения. Она соответствует также тенденции, всегда присутствующей в уме человека, сравнивать бесконечно малое с бесконечно великим. Атом может рассматриваться как своего рода солнечная система, в которой электроны в значительном числе вращаются вокруг солнца, образованного положительным ионом. Может случиться, что некоторые из этих электронов больше не удерживаются на своей орбите электрическим притяжением остальной части атома и могут быть выброшены из него, подобно маленькой планете или комете, которая убегает в сторону звездных пространств. Явления испускания света заставляют нас думать, что корпускулы вращаются вокруг ядра с экстремальными скоростями, или со скоростью тысяч миллиардов эволюций в секунду. Легко понять из этого, что, несмотря на свою легкость, атом, таким образом конституированный, может обладать огромной энергией.

Другие авторы воображают, что энергия корпускул главным образом обусловлена чрезвычайно быстрыми вращениями этих элементов вокруг своих собственных осей. Лорд Кельвин недавно составил по другой модели план радиоактивного атома, способного выбрасывать электрон с значительной живой силой. Он предполагает сферический атом, образованный концентрическими слоями положительного и отрицательного электричества, расположенными таким образом, что его внешнее действие равно нулю и что, тем не менее, сила, эманирующая из центра, может быть отталкивающей для определенных значений, когда электрон находится внутри него.

Самые осторожные физики и те, кто наиболее уважителен к установленным принципам, могут без всяких угрызений совести признать объяснение радиоактивности радия дислокацией его молекулярного здания. Материя, из которой он состоит, эволюционирует из общепризнанно нестабильного начального состояния в другое стабильное. Это, в некотором роде, медленная аллотропная трансформация, которая происходит посредством механизма, относительно которого, короче говоря, мы не имеем больше информации, чем имеем относительно других аналогичных трансформаций. Единственное удивление, которое мы можем законно чувствовать, проистекает из мысли, что мы внезапно и глубоко проникаем в самое сердце вещей.

Но те люди, которые имеют немного больше смелости, нелегко сопротивляются искушению формировать дерзкие обобщения. Так, некоторым придет в голову, что это свойство, уже обнаруженное во многих веществах, где оно существует в более или менее поразительной степени, является, с различиями в интенсивности, общим для всех тел и что мы, таким образом, сталкиваемся с явлением, происходящим из существенного качества материи. Совсем недавно профессор Резерфорд продемонстрировал в прекрасной серии экспериментов, что альфа-частицы радия перестают ионизировать газы, когда их заставляют потерять свою скорость, но что они не перестают от этого существовать. Может последовать, что многие тела испускают подобные частицы, не будучи легко замеченными в этом; поскольку электрическое действие, которым это явление радиоактивности обычно проявляется, было бы в этом случае лишь очень слабым.

Если мы таким образом верим, что радиоактивность является абсолютно общим явлением, мы оказываемся лицом к лицу с новой проблемой. Трансформация радиоактивных тел больше не может быть ассимилирована с аллотропными трансформациями, поскольку таким образом никакая конечная форма никогда не могла бы быть достигнута, и дезагрегация продолжалась бы бесконечно до полной дислокации атома. Явление могло бы, это правда, иметь продолжительность, возможно, тысячи миллионов столетий, но эта продолжительность — лишь минута в бесконечности времени, и мало что значит. Наши привычки ума, если мы примем такую концепцию, будут не менее глубоко потревожены. Мы должны будем отказаться от идеи, столь инстинктивно дорогой нам, что материя — самая стабильная вещь во Вселенной, и признать, напротив, что все тела, какие бы они ни были, являются своего рода взрывчатым веществом, разлагающимся с чрезвычайной медленностью. Есть в этом, что бы ни было сказано, ничего противоречащего любому из принципов, на которых покоится наука об энергетике; но гипотеза такого рода несет с собой последствия, которые должны в высшей степени интересовать философа, и мы все знаем, с какой заманчивой смелостью М. Гюстав Ле Бон развил все эти последствия в своей работе об эволюции материи.

Едва ли найдется физик, который не принял бы в наши дни в той или иной форме баллистическую гипотезу. Все новые факты координируются так счастливо ею, что она все больше удовлетворяет наши умы; но нельзя утверждать, что она навязывает себя нашим убеждениям с непреодолимым весом. Другая точка зрения казалась более правдоподобной и простой вначале, когда казалось, что есть основания рассматривать энергию, излучаемую радиоактивными телами, как неисчерпаемую. Думали, что источник этой энергии нужно искать вне атома, и эта идея может прекрасно поддерживаться в наши дни.

Радий в этой гипотезе должен рассматриваться как трансформатор, заимствующий энергию из внешней среды и возвращающий ее в форме излучения. Не невозможно даже допустить, что энергия, которую атом радия извлекает из окружающей среды, может служить для поддержания не только излучаемого тепла и его сложного излучения, но также диссоциации, предполагаемой эндотермической, этого атома. Таковой, по-видимому, является идея М. Дебьерна, а также М. Саньяка. Не кажется согласующимся с экспериментами, что эта заимствованная энергия может быть частью тепла окружающей среды; и, действительно, такое явление противоречило бы принципу Карно, если бы мы хотели (хотя мы видели, насколько спорно это расширение) распространить этот принцип на явления, которые производятся в самом лоне атома.

Мы можем также обратиться к более благородной форме энергии и задаться вопросом, не находимся ли мы впервые в присутствии трансформации гравитационной энергии. Может показаться странным, но не абсурдным предположение, что единица массы радия притягивается к Земле не с той же интенсивностью, что и инертное тело. М. Саньяк начал некоторые эксперименты, пока еще не опубликованные, с целью изучения законов падения фрагмента радия. Они неизбежно очень деликатны, и энергичный и изобретательный физик еще не успел их завершить. Предположим, что ему удастся доказать, что интенсивность гравитации для радия меньше, чем для платины или меди, из которых обычно изготавливаются маятники, используемые для иллюстрации закона Ньютона; тогда можно было бы по-прежнему полагать, что законы всемирного тяготения совершенно точны в отношении звезд и что весомость действительно является частным случаем всемирного тяготения, в то время как в случае радиоактивных тел часть гравитационной энергии трансформируется в процессе своей эволюции и проявляется в форме активного излучения.

Но чтобы это объяснение было принято, оно, очевидно, должно было бы быть подкреплено весьма многочисленными фактами. Возможно, несомненно, кажется еще более вероятным, что энергия, заимствуемая радием из внешней среды, является одной из тех, что нам еще неизвестны, но существование которых вокруг нас мы смутно предчувствуем. Более того, неоспоримо, что атмосфера во всех направлениях пронизана активными излучениями; излучения радия могут быть вторичными излучениями, отраженными своего рода явлением резонанса.

Однако некоторые эксперименты профессоров Эльстера и Гейтеля не благоприятствуют этой точке зрения. Если активное тело окружить радиоактивной оболочкой, экран должен препятствовать получению этим телом какого-либо воздействия извне, и все же не наблюдается никакого уменьшения активности, проявляемой определенным количеством радия, когда его опускают на глубину 800 метров под землю, в область, содержащую значительное количество урановой смоляной руды. Эти отрицательные результаты, с другой стороны, являются своего рода успехами для сторонников объяснения радиоактивности атомной энергией.

ГЛАВА X

ЭФИР И МАТЕРИЯ

§ 1. ОТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ЭФИРОМ И МАТЕРИЕЙ

Уже некоторое время более или менее открытой амбицией физиков является построение из частиц эфира всех возможных форм телесного существования; но наши знания о сокровенной природе вещей до сих пор казались слишком ограниченными, чтобы мы могли предпринять такое предприятие с какими-либо шансами на успех. Электронная гипотеза, однако, которая дала удовлетворительное представление о самых любопытных явлениях, происходящих в недрах материи, также привела к более полной электромагнитной теории эфира, чем теория Максвелла, и этот двойной результат породил надежду прийти с помощью этой гипотезы к полной координации физического мира.

Явления, изучение которых может привести нас к самому порогу этой проблемы, — это те, в которых связи между материей и эфиром проявляются ясно и относительно простым образом. Так, в явлениях испускания видно, что весомая материя порождает волны, которые передаются эфиром, а явлениями поглощения доказывается, что эти волны исчезают и вызывают изменения внутри материальных тел, которые их принимают. Мы здесь наблюдаем в действии реальные взаимные действия и противодействия между эфиром и материей. Если бы мы могли полностью понять эти действия, мы, несомненно, были бы в состоянии заполнить пробел, который отделяет две области, отдельно завоеванные физической наукой.

В последние годы многочисленные исследования предоставили ценные материалы, которые должны быть использованы теми, кто стремится построить теорию излучения. Мы, возможно, все еще плохо осведомлены о явлениях люминесценции, в которых колебания производятся сложным образом, как в случае с палочкой влажного фосфора, которая светится в темноте, или в случае флуоресцентного экрана. Но мы очень хорошо знакомы с испусканием или поглощением при накаливании, где единственной трансформацией является превращение тепловой энергии в лучистую, или наоборот. Именно в этом случае может быть правильно применена знаменитая демонстрация, с помощью которой Кирхгоф установил, исходя из соображений, заимствованных из термодинамики, пропорциональные отношения между способностью к испусканию и способностью к поглощению.

Рассматривая измерение температуры, я уже указывал на эксперименты профессоров Люммера и Прингсгейма и теоретические исследования Стефана и профессора Вина. Мы можем считать, что в настоящее время законы излучения черных тел довольно хорошо известны, и, в частности, то, как каждое элементарное излучение возрастает с температурой. Однако сохраняются некоторые сомнения относительно закона распределения энергии в спектре. В случае реальных и твердых тел результаты, естественно, менее просты, чем в случае черных тел. Одна сторона вопроса была специально изучена из-за ее большого практического интереса, а именно тот факт, что отношение световой энергии к общему количеству энергии, излучаемой телом, варьируется в зависимости от природы последнего; и знание условий, при которых это отношение становится наиболее значительным, привело к открытию газового освещения накаливанием в сетке Ауэра-Вельсбаха и к замене угольной нити в электрической лампочке нитью из осмия или небольшим стержнем из магния, как в лампе Нернста. Тщательные измерения, выполненные М. Фери, дали, в частности, важную информацию об излучении белых оксидов; но замеченные явления еще не нашли удовлетворительной интерпретации. Более того, излучение теплового происхождения здесь сопровождается более или менее значительной люминесценцией, и проблема становится очень сложной.

Подобно тому, как для познания строения материи нам впервые пришло в голову исследовать газы, которые представляются молекулярными структурами, построенными по более простому и единообразному плану, чем твердые тела, мы должны естественно полагать, что исследование условий, в которых испускание и поглощение производятся газообразными телами, может быть в высшей степени полезным и, возможно, может раскрыть механизм, с помощью которого могут быть установлены отношения между молекулой эфира и молекулой материи.

К сожалению, если газ не является абсолютно неспособным испускать какие-либо лучи при простом нагревании, излучение, производимое таким образом, несомненно, из-за незначительности участвующей массы, всегда остается умеренной интенсивности. Почти во всех экспериментах вступают в силу новые энергии химического или электрического происхождения. На накаливание накладывается люминесценция; и преимущество, которое можно было ожидать от простоты среды, исчезает из-за сложности обстоятельств, в которых производится явление.

Профессору Прингсгейму удалось в некоторых случаях найти разделительную линию между явлениями люминесценции и накаливания. Так, первая приобретает преобладающее значение, когда газ становится светящимся под действием электрических разрядов, а химические трансформации, в частности, играют преобладающую роль в испускании спектра пламени, содержащего солевой пар. Во всех обычных экспериментах спектрального анализа законы Кирхгофа, следовательно, не могут считаться установленными, и все же отношение между испусканием и поглощением в целом довольно хорошо подтверждается. Несомненно, мы здесь находимся в присутствии своего рода явления резонанса, когда газообразные атомы начинают вибрировать, будучи побуждаемы эфиром к движению, идентичному тому, которое они способны передать ему.

Если мы еще не очень далеко продвинулись в изучении механизма образования спектра, то, с другой стороны, мы хорошо знакомы с его строением. Крайняя путаница, которую, казалось, представляли спектры линий газов, теперь, по крайней мере в значительной степени, прояснилась. Бальмер некоторое время назад дал для случая спектра водорода эмпирическую формулу, которая позволила представить лучи, открытые позже выдающимся астрономом М. Деландром; но с тех пор, как в случаях линейчатых, так и полосатых спектров, труды профессора Ридберга, М. Деландра, профессоров Кайзера и Рунге и М. Тиле позволили нам понять в мельчайших деталях законы распределения линий и полос.

Эти законы просты, но несколько своеобразны. Излучения, испускаемые газом, нельзя сравнить с нотами, которые порождает звучащее тело, и даже с самыми сложными вибрациями любого упругого тела. Число вибраций различных лучей не является последовательными кратными одного и того же числа, и речь не идет о фундаментальном излучении и его гармониках, в то время как — и это существенное отличие — число вибраций излучения стремится к пределу, когда период бесконечно уменьшается, вместо того чтобы постоянно увеличиваться, как это было бы в случае с вибрациями звука.

Таким образом, уподобление световой вибрации упругой вибрации не является правильным. Мы снова обнаруживаем, что эфир не ведет себя как материя, которая подчиняется обычным законам механики, и каждая теория должна в полной мере учитывать эти любопытные особенности, которые выявляет эксперимент.

Другое отличие, также весьма важное, между световыми и звуковыми вибрациями, которое также указывает на то, насколько мало аналогичными могут быть составы сред, передающих вибрации, проявляется в явлениях дисперсии. Скорость распространения, которая, как мы видели при обсуждении измерения скорости звука, очень мало зависит от музыкальной ноты, совсем не одинакова в случае различных излучений, которые могут распространяться в одном и том же веществе. Показатель преломления варьируется в зависимости от длительности периода, или, если хотите, от длины волны в вакууме, которая пропорциональна этой длительности, поскольку в вакууме скорость распространения совершенно одинакова для всех вибраций.

Коши был первым, кто предложил теорию, по образцу которой были созданы другие попытки; например, очень интересная и простая теория Брио. Последний предположил, что световая вибрация не может заметно увлекать за собой молекулярную материю среды, через которую она распространяется, но что материя, тем не менее, реагирует на эфир с интенсивностью, пропорциональной удлинению, таким образом, что это стремится вернуть ее в положение равновесия. С помощью этой простой гипотезы мы можем довольно хорошо интерпретировать явления дисперсии света в случае прозрачных веществ; но далеко не хорошо, как отметил М. Карвалло в некоторых чрезвычайно тщательных экспериментах, дисперсию инфракрасного спектра, и совсем не интерпретируем особенности, представляемые поглощающими веществами.

М. Буссинеск приходит к почти схожим результатам, приписывая дисперсию, с другой стороны, частичному увлечению весомой материи и ее действию на эфир. Комбинируя, в некоторой мере, как это было впоследствии сделано М. Буссинеском, обе гипотезы, можно установить формулы, гораздо лучше согласующиеся со всеми известными фактами.

Эти факты несколько сложны. Сначала думали, что показатель всегда изменяется в обратной пропорции к длине волны, но было обнаружено множество веществ, которые представляют явление аномальной дисперсии — то есть веществ, в которых определенные излучения распространяются, напротив, тем быстрее, чем короче их период. Это случай самих газов, как продемонстрировано, например, очень элегантным экспериментом М. Беккереля по дисперсии паров натрия. Более того, может случиться так, что могут встретиться еще большие сложности, так как ни одно вещество не является прозрачным для всего спектра. В случае определенных излучений скорость распространения становится равной нулю, а показатель иногда показывает максимум, а иногда минимум. Все эти явления находятся в тесной связи с явлениями поглощения.

Пожалуй, именно формула, предложенная Гельмгольцем, лучше всего объясняет все эти особенности. Гельмгольц пришел к установлению этой формулы, предположив, что существует своего рода трение между эфиром и материей, которое, подобно трению, испытываемому маятником, здесь производит двойной эффект, изменяя, с одной стороны, длительность этого колебания, а с другой — постепенно затухая его. Он далее предположил, что на весомую материю действуют упругие силы. Теория Гельмгольца имеет большое преимущество, представляя не только явления дисперсии, но также, как отметил М. Карвалло, законы вращательной поляризации, ее дисперсию и другие явления, среди них дихроизм вращательных сред, открытый М. Коттоном.

При установлении этих теорий всегда использовался язык обычной оптики. Явления рассматриваются как обусловленные механическими деформациями или движениями, управляемыми определенными силами. Электромагнитная теория приводит, как мы видели, к использованию других образов. М. А. Пуанкаре и вслед за ним Гельмгольц предложили электромагнитные теории дисперсии. При внимательном рассмотрении вещей обнаружится, что в двух способах рассмотрения проблемы на самом деле нет двух эквивалентных переводов внешней реальности. Электрическая теория дает нам понять, гораздо лучше, чем механическая, что в вакууме дисперсия должна быть строго нулевой, и это отсутствие дисперсии, по-видимому, подтверждается с необычайной точностью астрономическими наблюдениями. Так, наблюдение, часто повторяемое и в разное время года, доказывает, что в случае звезды Алголь, свет которой идет до нас не менее четырех лет, никакое заметное изменение окраски не сопровождает изменения яркости.

§ 2. ТЕОРИЯ ЛОРЕНЦА

Чисто механические соображения, следовательно, не смогли дать полностью удовлетворительной интерпретации явлений, в которых проявляются даже самые простые отношения между материей и эфиром. Они, очевидно, были бы еще более недостаточными, если бы использовались для объяснения определенных эффектов, производимых на материю светом, которые нельзя было бы без серьезных трудностей приписать движению; например, явления электризации под влиянием определенных излучений или, опять же, химические реакции, такие как фотографические отпечатки.

К проблеме нужно было подойти с другой стороны. Электромагнитная теория была шагом вперед, но она останавливается, так сказать, в тот момент, когда эфир проникает в материю. Если мы хотим глубже проникнуть во внутреннюю сущность явлений, мы должны следовать, например, за профессором Лоренцем или доктором Лармором и искать вместе с ними способ представления, который, кроме того, представляется естественным следствием фундаментальных идей, составляющих основу экспериментов Герца.

Как только мы рассматриваем волну в эфире как электромагнитную волну, молекулу, которая испускает свет, следует рассматривать как своего рода возбудитель. Мы, таким образом, приходим к предположению, что в каждой излучающей молекуле есть одна или несколько наэлектризованных частиц, совершающих возвратно-поступательное движение вокруг своих положений равновесия, и эти частицы, безусловно, идентичны тем электронам, существование которых мы уже признали по столь многим другим причинам.

В простейшей теории мы представим себе электрон, который может быть смещен из своего положения равновесия во всех направлениях и при этом смещении подвергается притяжениям, которые сообщают ему вибрацию, подобную маятнику. Эти движения эквивалентны крошечным токам, и подвижный электрон, будучи наделенным значительной скоростью, должен быть чувствителен к действию магнита, который изменяет форму траектории и значение периода. Это почти прямое следствие было осознано Лоренцем, и оно привело его к новой идее о том, что излучения, испускаемые телом, должны изменяться под действием сильного электромагнита.

Эксперимент позволил подтвердить это предвидение. Он был проведен, как хорошо известно, еще в 1896 году Зееманом; и открытие произвело законную сенсацию. Когда пламя подвергается действию магнитного поля, яркая линия разлагается в условиях, более или менее сложных, которые, однако, внимательное изучение позволяет нам определить. В зависимости от того, производится ли наблюдение в плоскости, нормальной к магнитному полю, или в том же направлении, линия трансформируется в триплет или дублет, а новые линии поляризованы прямолинейно или циркулярно.

Это именно те явления, которые предсказывает расчет: анализ модификаций, претерпеваемых светом, дает, кроме того, ценную информацию о самом электроне. По направлению круговых вибраций наибольшей частоты мы можем определить знак электрического заряда в движении, и мы находим его отрицательным. Но, более того, из изменения периода мы можем вычислить отношение силы, действующей на электрон, к его материальной массе, и, кроме того, отношение заряда к массе. Мы затем находим для этого отношения именно то значение, с которым мы уже встречались так много раз. Такое совпадение не может быть случайным, и мы имеем право полагать, что электрон, выявленный световой волной, которая исходит от него, действительно тот же самый, что стал известен нам благодаря изучению катодных лучей и радиоактивных веществ.

Однако элементарная теория не достаточна для интерпретации осложнений, которые выявили более поздние эксперименты. Физики, наиболее квалифицированные для проведения измерений в этих деликатных оптических вопросах — М. Корню, г-н Престон, М. Коттон, ММ. Беккерель и Деландр, М. Брока, профессор Майкельсон и другие — указали на некоторые примечательные особенности. Так, в некоторых случаях число компонентных лучей, диссоциированных магнитным полем, может быть очень значительным.

Большая модификация, внесенная в излучение эффектом Зеемана, может, кроме того, сочетаться с другими явлениями и изменять свет еще более сложным образом. Пучок поляризованного света, как продемонстрировали синьоры Макалузо и Корбино, претерпевает в магнитном поле модификации в отношении поглощения и скорости распространения.

Некоторые изобретательные исследования М. Беккереля и М. Коттона прекрасно прояснили все эти осложнения с экспериментальной точки зрения. Было бы не невозможно связать все эти явления, не принимая электронную гипотезу, сохраняя старые оптические уравнения, модифицированные членами, относящимися к действию магнитного поля. Это было фактически сделано в некоторых очень примечательных работах М. Фойгта, но мы можем также, подобно профессору Лоренцу, искать более общие теории, в которых будет сохранен существенный образ электронов и которые позволят включить все факты, выявленные экспериментом.

Мы, таким образом, приходим к предположению, что в атоме есть не один вибрирующий электрон, но что в нем можно найти динамическую систему, включающую несколько материальных точек, которые могут подвергаться разнообразным движениям. Нейтральный атом может, следовательно, рассматриваться как состоящий из неподвижной главной части, положительно заряженной, вокруг которой движутся, подобно спутникам вокруг планеты, несколько отрицательных электронов очень малой массы. Этот вывод приводит нас к интерпретации, согласующейся с той, которую уже подсказали другие явления.

Эти электроны, которые, таким образом, имеют переменную скорость, генерируют вокруг себя поперечную электромагнитную волну, которая распространяется со скоростью света; ибо заряженная частица становится, как только она испытывает изменение скорости, центром излучения. Так объясняется явление испускания излучений. Точно так же движение электронов может быть возбуждено или модифицировано электрическими силами, которые существуют в любом пучке света, который они получают, и этот пучок может отдать им часть энергии, которую он несет. Это явление поглощения.

Профессор Лоренц не ограничился тем, что таким образом объяснил весь механизм явлений испускания и поглощения. Он попытался заново открыть, исходя из фундаментальной гипотезы, количественные законы, открытые термодинамикой. Ему удается показать, что, согласно закону Кирхгофа, отношение между испускательной и поглощательной способностью должно быть независимым от особых свойств наблюдаемого тела, и он таким образом снова приходит к законам Планка и Вина: к сожалению, расчет может быть сделан только в случае больших длин волн, и существуют серьезные трудности. Так, нельзя очень ясно объяснить, почему при нагревании тела излучение смещается в сторону коротких длин волн, или, если хотите, почему тело становится светящимся с того момента, как его температура достигла достаточно высокой степени. С другой стороны, вычисляя энергию вибрирующих частиц, мы снова приходим к тому, чтобы приписать этим частицам то же строение, что и у электронов.

Точно так же возможно, как показал профессор Лоренц, дать очень удовлетворительное объяснение термоэлектрических явлений, предположив, что число освобожденных электронов, которые существуют в данном металле при данной температуре, имеет определенное значение, варьирующееся для каждого металла, и является, в случае каждого тела, функцией температуры. Полученная формула, которая основана на этих гипотезах, полностью согласуется с классическими результатами Клаузиуса и лорда Кельвина. Наконец, если мы вспомним, что явления электрической и тепловой проводимости прекрасно интерпретируются гипотезой электронов, будет уже невозможно оспаривать важность теории, которая позволяет нам сгруппировать в одном синтезе так много фактов столь разнообразного происхождения.

Если мы изучим условия, при которых волна, возбужденная изменениями скорости электрона, может передаваться, они снова ставят нас лицом к лицу, и в целом, с результатами, указанными обычной электромагнитной теорией. Некоторые особенности, однако, не являются абсолютно такими же. Так, теория Лоренца, так же как и теория Максвелла, заставляет нас предвидеть, что если заставить изолирующую массу двигаться в магнитном поле нормально к его силовым линиям, в этой массе будет произведено смещение, аналогичное тому, существование которого Фарадей и Максвелл допускали в диэлектрике заряженного конденсатора. Но М. А. Пуанкаре указал, что в зависимости от того, принимаем ли мы точку зрения одного или другого из этих авторов, значение смещения различается. Это замечание очень важно, ибо оно может привести к эксперименту, который позволил бы нам сделать окончательный выбор между двумя теориями.

Чтобы получить смещение, оцененное согласно Лоренцу, мы должны умножить смещение, вычисленное согласно Герцу, на коэффициент, представляющий отношение между разностью удельных индуктивных способностей диэлектрика и вакуума и первой из этих величин. Если, следовательно, мы возьмем в качестве диэлектрика воздух, удельная индуктивная способность которого заметно такая же, как у вакуума, смещение, согласно идее Лоренца, будет нулевым; в то время как, напротив, согласно Герцу, оно будет иметь конечное значение. М. Блондло провел эксперимент. Он направил поток воздуха в конденсатор, помещенный в магнитное поле, и никогда не смог заметить ни малейшего следа электризации. Никакого смещения, следовательно, в диэлектрике не производится. Эксперимент, будучи отрицательным, очевидно, менее убедителен, чем дающий положительный результат, но он предоставляет очень мощный аргумент в пользу теории Лоренца.

Эта теория, следовательно, кажется очень соблазнительной, однако она все еще вызывает возражения со стороны тех, кто противопоставляет ей принципы обычной механики. Если мы рассмотрим, например, излучение, испущенное электроном, принадлежащим одному материальному телу, но поглощенное другим электроном в другом теле, мы немедленно замечаем, что, поскольку распространение не является мгновенным, не может быть никакой компенсации между действием и противодействием, которые не являются одновременными; и принцип Ньютона, таким образом, кажется атакованным. Чтобы сохранить его целостность, приходится признать, что движения в двух материальных веществах компенсируются движением эфира, который разделяет эти вещества; но эта концепция, хотя и находится в сносном согласии с гипотезой о том, что эфир и материя не являются разной сущности, при более внимательном рассмотрении включает в себя предположения, едва ли удовлетворительные относительно природы движений в эфире.

Долгое время физики допускали, что эфир в целом должен рассматриваться как неподвижный и способный служить, так сказать, опорой для осей Галилея, по отношению к которым применим принцип инерции, — или, что еще лучше, как показал М. Пенлеве, они одни позволяют нам соблюдать принцип причинности.

Но если бы это было так, мы могли бы, по-видимому, надеяться с помощью экспериментов в электромагнетизме получить абсолютное движение и подтвердить поступательное движение Земли относительно эфира. Но все исследования, предпринятые для этой цели самыми изобретательными физиками, всегда терпели неудачу, и это склоняет к идее, разделяемой многими геометрами, что эти отрицательные результаты не связаны с несовершенствами экспериментов, а имеют глубокую и общую причину. Теперь Лоренц попытался найти условия, в которых предложенная им электромагнитная теория могла бы согласиться с постулатом о полной невозможности определения абсолютного движения. Необходимо, чтобы реализовать это согласие, представить, что подвижная система сжимается очень незначительно в направлении своего поступательного движения в степени, пропорциональной квадрату отношения скорости переноса к скорости света. Сами электроны не избегают этого сжатия, хотя наблюдатель, поскольку он участвует в том же движении, естественно, не может его заметить. Лоренц предполагает, кроме того, что все силы, независимо от их происхождения, подвергаются воздействию поступательного движения так же, как электромагнитные силы. М. Ланжевен и М. А. Пуанкаре изучали этот же вопрос и отметили с точностью различные его деликатные последствия. Своеобразие гипотез, которые мы, таким образом, вынуждены строить, никоим образом не является аргументом против теории Лоренца; но оно, мы должны признать, обескуражило некоторых из более робких сторонников этой теории.

§ 3. МАССА ЭЛЕКТРОНОВ

Другие концепции, еще более смелые, подсказываются результатами некоторых интересных экспериментов. Электрон дает нам возможность рассматривать инерцию и массу уже не как фундаментальное понятие, а как следствие электромагнитных явлений.

Профессор Дж. Дж. Томсон первым высказал ясную мысль о том, что часть, по крайней мере, инерции наэлектризованного тела обусловлена его электрическим зарядом. Эта идея была подхвачена и точно сформулирована профессором Максом Абрахамом, который впервые был вынужден серьезно отнестись к кажущемуся парадоксальным понятию массы как функции скорости. Рассмотрим малую частицу, несущую заданный электрический заряд, и предположим, что эта частица движется через эфир. Она, как мы знаем, эквивалентна току, пропорциональному ее скорости, и поэтому создает магнитное поле, интенсивность которого также пропорциональна ее скорости: чтобы привести ее в движение, следовательно, должно быть сообщено ей сверх затрат, соответствующих приобретению ее обычной кинетической энергии, количество энергии, пропорциональное квадрату ее скорости. Все, следовательно, происходит так, как если бы по факту электризации ее способность к кинетической энергии и ее материальная масса были увеличены на некую постоянную величину. К обычной массе может быть добавлена, если хотите, электромагнитная масса.

Таково положение вещей до тех пор, пока скорость поступательного движения частицы не очень велика, но они уже не совсем те же, когда эта частица наделена движением, быстрота которого становится сопоставимой с той, с которой распространяется свет.

Созданное магнитное поле тогда уже не является полем в покое, но его энергия зависит сложным образом от скорости, и кажущееся увеличение массы самой частицы становится функцией скорости. Более того, это увеличение может быть не одинаковым для одной и той же скорости, но варьируется в зависимости от того, параллельно ли ускорение направлению этой скорости или перпендикулярно ему. Другими словами, по-видимому, существуют продольная и поперечная массы, которые не обязательно должны быть одинаковыми.

Все эти результаты сохранялись бы, даже если бы материальная масса была очень мала по сравнению с электромагнитной массой; и электрон обладает некоторой инерцией, даже если его обычная масса становится все меньше и меньше. Кажущаяся масса, как можно легко показать, возрастает бесконечно, когда скорость, которой наделена наэлектризованная частица, стремится к скорости света, и, таким образом, работа, необходимая для сообщения такой скорости электрону, была бы бесконечной. Следовательно, невозможно, чтобы скорость электрона по отношению к эфиру могла когда-либо превысить или даже постоянно достигать 300 000 километров в секунду.

Все факты, таким образом предсказанные теорией, подтверждаются экспериментом. Не существует известного процесса, который позволил бы прямое измерение массы электрона, но возможно, как мы видели, измерить одновременно его скорость и отношение электрического заряда к его массе. В случае катодных лучей, испускаемых радием, эти измерения особенно интересны по той причине, что лучи, составляющие пучок катодных лучей, наделены очень разными скоростями, как показывает размер пятна, произведенного на фотопластинке пучком их, сначала очень узким, а затем рассеянным под действием электрического или магнитного поля. Профессор Кауфман провел некоторые очень тщательные эксперименты методом, который он называет методом скрещенных спектров, который состоит в наложении отклонений, производимых магнитным и электрическим полями, соответственно действующими в направлениях, перпендикулярных друг другу. Он, таким образом, смог, работая в вакууме, зарегистрировать очень разные скорости, которые, начиная в случае некоторых лучей с примерно семи десятых скорости света, достигают в других случаях девяноста пяти сотых ее.

Таким образом, отмечается, что отношение заряда к массе — которое для обычных скоростей постоянно и равно тому, что уже найдено столь многими экспериментами, — уменьшается сначала медленно, а затем очень быстро, когда скорость луча возрастает и приближается к скорости света. Если мы представим это изменение кривой, форма этой кривой склоняет нас думать, что отношение стремится к нулю, когда скорость стремится к скорости света.

Все более ранние эксперименты привели нас к рассмотрению того, что электрический заряд был одинаковым для всех электронов, и едва ли можно представить, что этот заряд может варьироваться со скоростью. Ибо для того, чтобы отношение, один из членов которого остается фиксированным, могло варьироваться, другой член обязательно не может оставаться постоянным. Эксперименты профессора Кауфмана, следовательно, подтверждают предвидения теории Макса Абрахама: масса зависит от скорости и возрастает бесконечно по мере того, как эта скорость приближается к скорости света. Эти эксперименты, более того, позволяют сравнить численные результаты расчета с измеренными значениями. Это очень удовлетворительное сравнение показывает, что кажущаяся полная масса заметно равна электромагнитной массе; материальная масса электрона, следовательно, равна нулю, и вся его масса является электромагнитной.

Таким образом, электрон следует рассматривать как простой электрический заряд, лишенный материи. Предыдущее исследование привело нас к тому, чтобы приписать ему массу, в тысячу раз меньшую, чем у атома водорода, а более внимательное изучение показывает, что эта масса была фиктивной. Электромагнитные явления, возникающие при приведении электрона в движение или при изменении его скорости, по сути, просто имитируют инерцию, и именно инерция, обусловленная зарядом, ввела нас в заблуждение.

Следовательно, электрон — это просто малый объем, определенный в точке эфира и обладающий особыми свойствами; эта точка распространяется со скоростью, которая не может превышать скорость света. Когда эта скорость постоянна, электрон при своем прохождении создает вокруг себя электрическое и магнитное поле; вокруг этого наэлектризованного центра существует своего рода след, который следует за ним через эфир и не изменяется до тех пор, пока скорость остается неизменной. Если другие электроны следуют за первым внутри провода, их прохождение вдоль провода будет тем, что называют электрическим током.

Когда электрон подвергается ускорению, возникает поперечная волна и генерируется электромагнитное излучение, характер которого может естественным образом меняться в зависимости от того, как варьируется скорость. Если электрон совершает достаточно быстрое периодическое движение, эта волна является световой волной; если же электрон внезапно останавливается, через эфир передается своего рода пульсация, и таким образом мы получаем рентгеновские лучи.

§ 4. НОВЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА СТРОЕНИЕ ЭФИРА И МАТЕРИИ

Таким образом, мы получаем новые и ценные сведения о свойствах эфира, но позволит ли это нам построить материальное представление об этой среде, заполняющей Вселенную, и тем самым решить проблему, которая, как мы видели, ставила в тупик длительные усилия наших предшественников?

Некоторые ученые, по-видимому, лелеяли эту надежду. В частности, доктор Лармор, как мы видели, предложил весьма остроумный образ, но он явно недостаточен. Современная тенденция физиков скорее склоняется к противоположному взгляду, поскольку они рассматривают материю как очень сложный объект, о котором мы ошибочно воображаем, что хорошо осведомлены, лишь потому, что слишком привыкли к нему, и его своеобразные свойства в конечном итоге кажутся нам естественными. Но по всей вероятности, эфир в своей объективной реальности гораздо проще и имеет больше прав считаться фундаментальным.

Поэтому мы не можем, не впадая в большую нелогичность, определять эфир через материальные свойства, и бесполезный труд, заранее обреченный на бесплодность, — пытаться определить его через иные качества, нежели те, о которых эксперимент дает нам прямое и точное знание.

Эфир определен, когда мы знаем во всех его точках, по величине и направлению, два поля — электрическое и магнитное, которые могут в нем существовать. Эти два поля могут изменяться; мы по привычке говорим о движении, распространяющемся в эфире, но явление, доступное эксперименту, — это распространение этих изменений.

Поскольку электроны, рассматриваемые как модификация эфира, симметрично распределенная вокруг точки, идеально имитируют ту инерцию, которая является фундаментальным свойством материи, становится весьма заманчивым предположить, что сама материя состоит из более или менее сложного скопления движущихся наэлектризованных центров.

Эта сложность в целом очень велика, что демонстрируется исследованием световых спектров, создаваемых атомами, и именно благодаря компенсациям, возникающим между различными движениями, основные свойства материи — например, закон сохранения инерции — не противоречат этой гипотезе.

Таким образом, силы сцепления были бы обусловлены взаимными притяжениями, возникающими в электрических и магнитных полях внутри тел; и можно даже представить, что под влиянием этих действий может возникнуть тенденция к определению ориентации, то есть можно понять, почему материя может кристаллизоваться.

Все эксперименты, проведенные по проводимости газов или металлов и по излучениям активных тел, побудили нас рассматривать атом как состоящий из положительно заряженного центра, имеющего практически ту же величину, что и сам атом, вокруг которого вращаются электроны; и можно было бы, очевидно, предположить, что этот положительный центр сам сохраняет фундаментальные характеристики материи и что только электроны обладают исключительно электромагнитной массой.

У нас мало информации об этих положительных частицах, хотя, как мы видели, они встречаются в изолированном состоянии в каналовых лучах или в рентгеновских лучах. До сих пор не удавалось изучить их так же успешно, как сами электроны; но то, что их величина заставляет их вызывать значительные возмущения в телах, на которые они падают, очевидно по вторичным излучениям, которые усложняют и маскируют первоначальное явление. Однако существуют веские причины полагать, что эти положительные центры не являются простыми. Так, профессор Штарк приписывает им, подтверждая свое мнение экспериментами, испускание спектров лучей в трубках Гейслера, и сложность спектра раскрывает сложность центра. Кроме того, некоторые особенности проводимости металлов нельзя объяснить без подобного предположения. Таким образом, атом, лишенный катодного корпускула, был бы все еще подвержен разложению на элементы, аналогичные электронам и заряженные положительно. Следовательно, ничто не мешает нам предположить, что этот центр также имитирует инерцию своими электромагнитными свойствами и является лишь состоянием, локализованным в эфире.

Как бы то ни было, здание, построенное таким образом и состоящее из электронов в периодическом движении, неизбежно стареет. Электроны подвергаются ускорениям, которые создают излучение вовне атома; и некоторые из них могут покинуть тело, в то время как первоначальная устойчивость в конечном итоге перестает быть гарантированной, и стремится сформироваться новая конфигурация. Таким образом, материя кажется нам претерпевающей те трансформации, примеры которых нам дали радиоактивные тела.

Мы уже получили, фрагментарно, эти взгляды на строение материи; более глубокое изучение электрона позволяет нам занять позицию, с которой мы получаем четкое, ясное и всестороннее понимание целого и проблеск неопределенных горизонтов.

Однако для укрепления этой позиции было бы полезно устранить несколько возражений, которые все еще угрожают ей. Неустойчивость электрона еще недостаточно доказана. Почему его заряд не истощается, и какие связи обеспечивают постоянство его строения?

С другой стороны, явления гравитации остаются загадкой. Лоренц пытался построить теорию, в которой он объясняет притяжение, предполагая, что два заряда одного знака отталкиваются друг от друга в чуть меньшей степени, чем притягиваются два заряда, равные, но противоположного знака, причем разница, согласно расчетам, слишком мала, чтобы ее можно было непосредственно наблюдать. Он также пытался объяснить гравитацию, связав ее с давлением, которое может оказываться на тела вибрационными движениями, образующими очень проникающие лучи. Недавно г-н Сазерленд предположил, что притяжение обусловлено разницей в действии конвекционных токов, создаваемых положительными и отрицательными корпускулами, которые составляют атомы звезд и переносятся астрономическими движениями. Но эти гипотезы остаются довольно расплывчатыми, и многие авторы полагают, вместе с г-ном Ланжевеном, что гравитация должна быть результатом какого-то способа активности эфира, совершенно отличного от электромагнитного.

ГЛАВА XI

БУДУЩЕЕ ФИЗИКИ

Было бы, несомненно, крайне опрометчиво и, безусловно, очень самонадеянно пытаться предсказать будущее, которое может быть уготовано физике. Роль пророка не является научной, и самые твердо установленные предвидения сегодняшнего дня могут быть опрокинуты реальностью завтрашнего.

Тем не менее физик не избегает экстраполяции некоторого масштаба, когда она не слишком далека от областей эксперимента; знание эволюции, совершенной за последние годы, позволяет сделать несколько предположений о направлении, в котором может продолжаться прогресс.

Читатель, который соблаговолил последовать за мной в быстрой экскурсии, которую мы только что совершили по области науки о природе, несомненно, вынесет из своего короткого путешествия общее впечатление, что древние границы, которыми классические трактаты все еще любят ограничивать различные главы физики, попираются во всех направлениях.

Прекрасные прямые дороги, проложенные мастерами прошлого века и расширенные и выровненные трудом такого множества рабочих, теперь соединены множеством маленьких тропинок, которые бороздят поле физики. Эти сокращенные пути так часты не только потому, что они охватывают еще малоизученные регионы, где открытия более обильны и легки, но и потому, что высшая надежда направляет искателей, которые вступают на эти новые маршруты.

Несмотря на повторяющиеся неудачи, которые сопровождали многочисленные попытки прошлых времен, не была оставлена идея однажды покорить высший принцип, который должен управлять всей физикой.

Некоторые физики, несомненно, считают такой синтез невозможным для реализации и полагают, что природа бесконечно сложна; но, несмотря на все оговорки, которые они могут сделать с философской точки зрения относительно законности этого процесса, они не колеблясь строят общие гипотезы, которые, за неимением полного умственного удовлетворения, по крайней мере предоставляют им весьма удобное средство группировки огромного количества фактов, до тех пор разрозненных.

Их ошибка, если она существует, полезна, ибо она относится к числу тех, которые Кант отнес бы к плодотворным иллюзиям, порождающим бесконечный прогресс науки и ведущим к великим и важным координациям.

Естественно, именно путем изучения отношений, существующих между явлениями, казалось бы, очень разных порядков, можно надеяться достичь цели; и именно это оправдывает особый интерес, проявляемый к исследованиям, проводимым на спорной земле между областями, до сих пор считавшимися разделенными.

Среди всех теорий, предложенных в последнее время, теория ионов заняла преобладающее место; поначалу плохо понятая некоторыми, кажущаяся несколько странной и, во всяком случае, бесполезной для других, она встретила в начале, по крайней мере во Франции, лишь очень умеренное одобрение.

Сегодня все сильно изменилось, и даже те, кто игнорировал ее, были соблазнены тем любопытным способом, которым она адаптируется к интерпретации самых последних экспериментов по самым разным предметам. Началась вполне естественная реакция; и я мог бы почти сказать, что вопрос моды привел к некоторым преувеличениям.

Электрон покорил физику, и многие поклоняются новому идолу довольно слепо. Конечно, мы можем только склониться перед гипотезой, которая позволяет нам сгруппировать в одном синтезе все открытия об электрических разрядах и радиоактивных веществах и которая ведет к удовлетворительной теории оптики и электричества; в то время как посредством излучаемого тепла она, вероятно, вскоре охватит и принципы термодинамики. Конечно, нельзя не восхищаться силой вероучения, которое проникает также в область механики и предоставляет простое представление об основных свойствах материи; но правильно не упускать из виду тот факт, что образ может быть хорошо обоснованным явлением, но не может быть точно наложен на объективную реальность.

Концепция атома электричества, фундамента материальных атомов, очевидно, позволяет нам проникнуть в тайны природы дальше, чем нашим предшественникам; но мы не должны довольствоваться словами, и тайна не решена, когда с помощью законного приема трудность была просто отодвинута дальше. Мы перенесли на элемент, все более и более мелкий, те физические качества, которые в древности приписывались целому веществу; а затем позже перенесли их на те химические атомы, которые, соединяясь вместе, составляют это целое. Сегодня мы передаем их электронам, которые составляют эти атомы. Неделимое, таким образом, становится, в некотором роде, все меньше и меньше, но мы все еще не знаем, какова может быть его субстанция. Понятие электрического заряда, которое мы подставляем вместо понятия материальной массы, позволит объединить явления, которые мы считали разделенными, но его нельзя считать окончательным объяснением или тем пределом, на котором должна остановиться наука. Вероятно, однако, что еще несколько лет физика не выйдет за его пределы. Настоящей гипотезы достаточно для группировки известных фактов, и она, несомненно, позволит предвидеть многие другие, в то время как новые успехи будут еще больше увеличивать ее достояние.

Затем наступит день, когда, как и все те, что сияли до него, эта соблазнительная гипотеза приведет к большему количеству ошибок, чем открытий. Она, однако, будет улучшена и станет очень обширным и очень полным зданием, которое некоторые не захотят охотно покинуть; ибо те, кто устроил себе удобное жилище на руинах древних памятников, часто слишком неохотно покидают его.

В тот день искатели, которые были в авангарде движения за истиной, будут настигнуты и даже превзойдены другими, которые пошли по более длинной, но, возможно, более верной дороге. Мы также видели в работе тех благоразумных физиков, которые опасались слишком смелых вероучений и стремились только собрать все возможные документальные свидетельства или брали себе в руководство лишь несколько принципов, которые были для них простым обобщением фактов, установленных экспериментами; и мы смогли доказать, что они также совершали хорошую и весьма полезную работу.

Ни первые, ни вторые, однако, не выполняют свою работу изолированно, и следует отметить, что большинство замечательных результатов этих последних лет принадлежит физикам, которые умели объединять свои усилия и направлять свою деятельность на общую цель, в то время как, возможно, не будет бесполезным заметить также, что прогресс был пропорционален материальным ресурсам наших лабораторий.

Вероятно, что в будущем, как и в прошлом, величайшие открытия, те, которые внезапно откроют совершенно неизвестные регионы и откроют совершенно новые горизонты, будут сделаны несколькими учеными-гениями, которые будут продолжать свой терпеливый труд в одиноком размышлении и которые для проверки своих самых смелых концепций, несомненно, будут довольствоваться самыми простыми и наименее дорогостоящими экспериментальными аппаратами. И все же, чтобы их открытия принесли полный урожай, чтобы область систематически обрабатывалась и были получены желаемые результаты, все больше и больше потребуется объединение желающих умов, солидарность интеллигентных ученых, и также будет необходимо, чтобы последние имели в своем распоряжении самые тонкие, а также самые мощные инструменты. Это условия, первостепенные в наши дни для непрерывного прогресса в экспериментальной науке.

Если, как это уже случалось, к сожалению, в истории науки, эти условия не соблюдаются; если свободы работников стеснены, их единство нарушено и если материальные средства предоставляются им слишком скупо — эволюция, в настоящее время столь быстрая, может быть замедлена, и могут произойти те регрессы, которые, кстати, были известны во всех эволюциях, хотя даже тогда надежда на будущее не была бы уничтожена навсегда.

Нет пределов прогрессу, и область наших исследований не имеет границ. Эволюция будет продолжаться с непобедимой силой. То, что мы сегодня называем непознаваемым, будет отступать все дальше и дальше перед наукой, которая никогда не остановит свой поступательный марш. Таким образом, физика будет доставлять все большее и растущее удовлетворение уму, предоставляя новые интерпретации явлений; но она совершит для всего общества еще более ценную работу, делая, благодаря улучшениям, которые она предлагает, жизнь с каждым днем все более легкой и приятной, и предоставляя человечеству оружие против враждебных сил природы.

[1] Т.е. кривая времени. — ПРИМ. РЕД.

[2] Автор, по-видимому, имеет в виду тот факт, что в стандартном метре измерение производится от центральной из трех отметок на каждом конце стержня. Поперечное сечение стержня имеет форму X, и отсчет производится с помощью микроскопа. — ПРИМ. РЕД.

[3] Т.е. 1/2000 миллиметра. — ПРИМ. РЕД.

[4] Это величины и единицы, принятые на Международном конгрессе электриков в 1904 году. Об их определении и объяснении см. Demanet, Notes de Physique Expérimentale (Лувен, 1905), т. IV, стр. 8. — ПРИМ. РЕД.

[5] «Ничто не создается, ничто не теряется». — ПРИМ. РЕД.

[6] Под изотермической диаграммой понимается узор или комплекс, образующийся, когда изотермические линии располагаются в виде кривых, где давление является ординатой, а объем — абсциссой. — ПРИМ. РЕД.

[7] Г-н Престон выражает это так: «Закон [соответствующих состояний] кажется не совсем, но очень близким к истине для этих веществ [т.е. галогеновых производных бензола]; но в случае других исследованных веществ большинство этих обобщений были либо лишь грубо верными, либо вовсе не соответствовали действительности» (Theory of Heat, Лондон, 1904, стр. 514). — ПРИМ. РЕД.

[8] Метод с возвратом назад. — ПРИМ. РЕД.

[9] Профессор Содди в статье, прочитанной в Королевском обществе 15 ноября 1906 года, предостерегает экспериментаторов от использования вакуума, создаваемого углем, охлажденным в жидком воздухе (метод, упомянутый в тексте), если только как можно больше воздуха не будет предварительно удалено насосом и заменено каким-либо газом, не содержащим аргона. По его словам, ни гелий, ни аргон не поглощаются углем. Используя электрически нагретый кальций, он утверждает, что создал почти идеальный вакуум. — ПРИМ. РЕД.

[10] Другой взгляд, а именно, что эти инертные газы являются своего рода отходами радиоактивных изменений, также завоевывает признание. Открытие радиоактивного минерала малакона, который выделяет как гелий, так и аргон, подтверждает это. См. статью г-д Кетчина и Уинтерсона по этому вопросу в Химическом обществе, 18 октября 1906 года. — ПРИМ. РЕД.

[11] М. Пуанкаре здесь ошибается. Гелий никогда не был сжижен. — ПРИМ. РЕД.

[12] Последняя гипотеза профессора Квинке заключается в том, что все жидкости при затвердевании проходят через стадию, промежуточную между твердым и жидким состоянием, в которой они образуют то, что он называет «ячеистой пеной», и принимают вязкую структуру, напоминающую желе. См. Proc. Roy. Soc. A., 23 июля 1906 г. — ПРИМ. РЕД.

[13] Металл, известный как «инвар». — ПРИМ. РЕД.

[14] Упомянутый «второй принцип» был сформулирован следующим образом: «В каждом двигателе, производящем работу, происходит падение температуры, и максимальный КПД идеального двигателя — т.е. отношение между теплом, затраченным на работу, и теплом, подведенным — зависит только от экстремальных температур, между которыми эволюционирует жидкость». — Demanet, Notes de Physique Expérimentale, Лувен, 1905, fasc. 2, стр. 147. Клаузиус сформулировал его в отрицательной форме: никакой двигатель не может сам по себе, без помощи внешнего воздействия, передать тепло от тела с низкой температурой к телу с высокой температурой. Ср. Ganot's Physics, 17-е англ. изд., § 508. — ПРИМ. РЕД.

[15] См. следующую заметку. — ПРИМ. РЕД.

[16] М. Стефан Ледюк, профессор биологии в Нанте, провел много экспериментов в этой связи, и искусственные клетки, продемонстрированные им Французской ассоциации содействия развитию наук на их собрании в Гренобле в 1904 году и воспроизведенные в их «Actes», особенно примечательны. — ПРИМ. РЕД.

[17] То есть без получения или испускания какого-либо тепла. — ПРИМ. РЕД.

[18] Диссоциацию следует отличать от разложения, которое происходит, когда вся частица (соединение, молекула, атом и т.д.) распадается на свои составные части. При диссоциации распад является лишь частичным, и результат состоит из смеси разложившихся и неразложившихся частей. См. Ganot's Physics, 17-е англ. изд., § 395, для примеров. — ПРИМ. РЕД.

[19] Валентность или атомность элемента можно определить как способность, которой он обладает, вступать в соединения в определенной фиксированной пропорции. Поскольку водород обычно принимается за стандарт, на практике валентность атома — это число атомов водорода, с которыми он соединяется или которые замещает. Так, хлор и остальные галогены, атомы которых соединяются с одним атомом водорода, называются одновалентными, кислород — двухвалентным элементом и так далее. — ПРИМ. РЕД.

[20] Однако с тех пор, как это было написано, ученые стали менее единодушны, чем раньше, в этом вопросе. Химик-ветеран профессор Менделеев привел доводы в пользу того, что эфир — это инертный газ с атомным весом в миллион раз меньше, чем у водорода, и скоростью 2250 километров в секунду (Principles of Chemistry, англ. изд., 1905, т. II, стр. 526). С другой стороны, известный физик д-р А. Х. Бухерер, выступая на собрании естествоиспытателей в Штутгарте в 1906 году, заявил о своем неверии в существование эфира, который, по его мнению, невозможно примирить одновременно с теорией Максвелла и известными фактами. — ПРИМ. РЕД.

[21] Природный хлорат калия, обычно вулканического происхождения. — ПРИМ. РЕД.

[22] То есть он отразил луч поляризованного света зеркалом, помещенным под этим углом. См. Turpain, Leçons élementaires de Physique, т. II, стр. 311, для подробностей эксперимента. — ПРИМ. РЕД.

[23] Несомненно, будет шоком для тех, кого профессор Генри Армстронг недавно назвал «математически мыслящими», обнаружить члена семьи Пуанкаре, неуважительно отзывающегося о науке, которую они сделали так много, чтобы проиллюстрировать. Можно, пожалуй, сравнить выражение в тексте с замечанием М. Анри Пуанкаре в его последней речи в Академии наук о том, что «математика иногда является помехой и даже опасностью, когда она побуждает нас утверждать больше, чем мы знаем» (Comptes-rendus, 17 декабря 1906 г.).

[24] См. примечание 3.

 [25] I.e.
10,000 metres.—ED.

[26] Под этим М. Пуанкаре, по-видимому, подразумевает радиометр, в котором лопасти не полностью свободны для движения, как в радиометре Крукса, а подвешены на одной или двух нитях, как в приборе, разработанном профессором Пойнтингом. — ПРИМ. РЕД.

[27] См. особенно эксперименты профессора Э. Маркса (Вена), Annalen der Physik, т. XX (№ 9 за 1906 г.), стр. 677 и сл., которые кажутся убедительными по этому вопросу. — ПРИМ. РЕД.

[28] М. Саньяк (Le Radium, янв. 1906 г., стр. 14), возможно, следуя профессорам Эльстеру и Гейтелю, недавно вновь взялся за эту идею. — ПРИМ. РЕД.

[29] По крайней мере, до тех пор, пока он не введен между двумя обкладками конденсатора, имеющего разность потенциалов, достаточную для преодоления того, что М. Бути называет его диэлектрической когезией. Мы оставляем в стороне это явление, относительно которого М. Бути пришел к чрезвычайно важным результатам в ходе очень замечательной серии экспериментов; но этот вопрос по праву относится к специальному изучению электрических явлений, которое еще не написано.

[30] Полный отчет об этих экспериментах, которые были выполнены в Кавендишской лаборатории, можно найти в Philosophical Transactions, A., т. CXCV (1901), стр. 193 и сл. — ПРИМ. РЕД.

[31] Весь этот аргумент блестяще изложен профессором Лоренцем в лекции, прочитанной в Electrotechnikerverein в Берлине в декабре 1904 года и перепечатанной с дополнениями в Archives Néerlandaises за 1906 год. — ПРИМ. РЕД.

[32] В своей работе L'Évolution de la Matière М. Гюстав Ле Бон напоминает, что в 1897 году он опубликовал несколько заметок в Академии наук, в которых утверждал, что свойства урана являются лишь частным случаем очень общего закона и что испускаемые излучения не поляризуются и по своим свойствам близки к рентгеновским лучам.

[33] Теперь показано, что полоний — это не новый элемент, а один из продуктов трансформации радия. Считается также, что сам радий каким-то образом, еще не установленным, происходит из урана. То же самое касается актиния, который, как говорят, в конечном счете происходит из урана, но не так прямо, как радий. Все это описано в работе профессора Резерфорда Radioactive Transformations (Лондон, 1906). — ПРИМ. РЕД.

[34] Это признают профессор Резерфорд (Radio-Activity, Кембридж, 1904, стр. 141) и профессор Содди (Radio-Activity, Лондон, 1904, стр. 66). Ни г-н Уитэм в своем Recent Development of Physical Science (Лондон, 1904), ни достопочтенный Р. Дж. Стратт в The Becquerel Rays (Лондон, та же дата), оба из которых рассматривают историческую сторону предмета, по-видимому, не заметили этого факта. — ПРИМ. РЕД.

[35] Теперь показано, что полоний при свежем выделении испускает также бета-лучи; см. статью д-ра Логемана в Proceedings of the Royal Society, A., 6 сентября 1906 г. — ПРИМ. РЕД.

[36] По словам профессора Резерфорда, за 3,77 дня. — ПРИМ. РЕД.

[37] Профессор Резерфорд недавно заявил, что уран, возможно, может производить эманацию, но что скорость ее распада должна быть слишком быстрой, чтобы ее присутствие можно было проверить (см. Radioactive Transformations, стр. 161). — ПРИМ. РЕД.

[38] Актиний X был также открыт профессором Гизелем (Jahrbuch d. Radioaktivitat, I, стр. 358, 1904). С тех пор, как было написано выше, было обнаружено, что еще один продукт вмешивается между веществом X и эманацией в случае актиния и тория. Они были названы радиоактинием и радиоторием соответственно. — ПРИМ. РЕД.

[39] Такая таблица приведена на стр. 169 работы Резерфорда Radioactive Transformations. — ПРИМ. РЕД.

[40] Это мнение, несомненно сформировавшееся, когда впервые стало известно об открытии сэром Уильямом Рамзаем образования гелия из эманации радия, сейчас менее состоятельно. Последняя теория заключается в том, что альфа-частица на самом деле является атомом гелия, а конечным продуктом трансформации радия и других радиоактивных веществ является свинец. Ср. Rutherford, op. cit. passim. — ПРИМ. РЕД.

[41] См. Radioactive Transformations (стр. 251). Профессор Резерфорд говорит, что «каждый из продуктов альфа-лучей, присутствующих в одном грамме продукта радия (sic), испускает 6,2 x 10^10 альфа-частиц в секунду». Он также отмечает «экспериментальную трудность точного определения количества альфа-частиц, испускаемых радием в секунду». — ПРИМ. РЕД.

[42] См. Rutherford, op. cit., стр. 150. — ПРИМ. РЕД.

[43] Этот взгляд на дело был очень ясно изложен М. Гюставом Ле Боном в L'Évolution de la Matière (Париж, 1906). См. особенно стр. 36-52, где рассчитывается количество предполагаемой внутриатомной энергии. — ПРИМ. РЕД.

[44] Это основное утверждение М. Гюстава Ле Бона в его последней процитированной работе. — ПРИМ. РЕД.

[45] См. последнее примечание. — ПРИМ. РЕД.

[46] В действительности М. Саньяк действовал обратным образом. Он взял два равных веса соли радия и соли бария, которые заставил колебаться один за другим в крутильных весах. Если бы продолжительность колебаний была разной, можно было бы сделать вывод, что механическая масса радия не та же, что у бария.

[47] Многие теории о причине линий и полос спектра были выдвинуты с тех пор, как это было написано, среди которых теория профессора Штарка (см. Physikalische Zeitschrift за 1906 г., passim) является, пожалуй, самой передовой. Теория М. Жана Беккереля, которая приписывает это вибрации внутри атома как отрицательных, так и положительных электронов, также заслуживает внимания. Популярный отчет об этом дан в Athenæum от 20 апреля 1907 г. — ПРИМ. РЕД.

[48] Возражение, здесь не замеченное, недавно было сформулировано с большой откровенностью самим профессором Лоренцем. Одним из столпов его теории является то, что только отрицательные электроны движутся, когда электрический ток проходит через металл, а положительные электроны (если таковые имеются) остаются неподвижными. Однако в эксперименте, известном как эксперимент Холла, ток отклоняется магнитным полем в одну сторону полоски в одних металлах и в противоположную сторону в других. Это, по-видимому, показывает, что в некоторых случаях движутся положительные электроны вместо отрицательных, и профессор Лоренц признается, что до настоящего времени не может найти ни одного веского аргумента против этого. См. Archives Néerlandaises 1906, части 1 и 2. — ПРИМ. РЕД.

[49] Это нельзя назвать еще полностью доказанным. Ср. сэр Оливер Лодж, Electrons, Лондон, 1906, стр. 200. — ПРИМ. РЕД.

[50] Читателя, однако, следует предупредить, что недавно была выдвинута теория, которая пытается объяснить кристаллизацию на чисто механических основаниях. См. «Развитие атомной теории» г-д Барлоу и Поупа в Transactions of the Chemical Society, 1906. — ПРИМ. РЕД.

[51] Есть много оснований полагать, что каналовые лучи содержат не только положительные частицы, но и сопровождаются отрицательными электронами с малой скоростью. Рентгеновские лучи, как было сказано выше, считаются не содержащими ни отрицательных, ни положительных частиц, а являющимися лишь импульсами в эфире. — ПРИМ. РЕД.