Пылевой пинг-понг

Хотя обычные оптические микроскопы и не позволяют увидеть отдельные атомы, они позволили ученым XIX в. увидеть воздействие таких атомов на окружающую их среду. Это воздействие называется броуновским движением по имени Роберта Броуна, который в 1827 г. заметил случайное движение мельчайших частиц пыльцы, плавающих на поверхности воды. Поскольку пыльца – вещество органическое, Броун сначала решил, что ее прыжки по поверхности могут быть признаками жизни. Сходное случайное движение угольной пыли, плавающей на поверхности спирта, наблюдалось в 1785 г. голландским ученым Яном Ингенхаузом. Когда Броун увидел, что поведение пыльцы может быть свойственно и неорганической материи, он не мог понять, какие причины могут вызывать такое беспорядочное движение.

Интересно отметить: идею о том, что речь может идти о невидимых атомах, сталкивающихся с более крупными видимыми частицами вещества, высказал еще древнеримский поэт Лукреций в своей философской поэме «О природе вещей»:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,

Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,

Мечутся взад и вперёд в лучистом сиянии света;

[…]

Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье

На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,

Что из неё познаёшь ты материи также движенья,

Происходящие в ней потаённо и скрыто от взора.

[…]

Первоначала вещей сначала движутся сами,

Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,

Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,

Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться,

Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее.

Так, исходя от начал, движение мало-помалу

Наших касается чувств, и становится видимым также

Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит[37].

Эти стихи были написаны в 60 г. до н. э., но для подтверждения такого атомарного объяснения случайного движения пылинок в солнечном луче у Лукреция и пыльцы у Броуна потребовался математический анализ Эйнштейна.

Нужно было предложить какую-то модель, которая воспроизводила бы странное движение частиц пыльцы на поверхности воды. Если наложить на такую поверхность координатную сетку, кажется, что частица пыльцы может с равной вероятностью двигаться влево, вправо, вверх или вниз. Ее движение похоже на перемещения пьяного человека, который совершает случайные шаги, как бы подчиняясь результатам бросков четырехсторонней игральной кости. На приведенной внизу картинке показаны траектории движения разных частиц пыльцы, которые зарисовал французский физик Жан Батист Перрен, взявшийся за решение задачи о движении пыльцы в своей книге «Атомы».

В начале XX в. возникло предположение, что наблюдаемый эффект связан с толчками, которые частицы пыльцы получают в результате движения гораздо меньших молекул воды.

Математический гений Эйнштейна позволил ему проанализировать модель, в которой крупный объект подвергается соударениям со значительно меньшими его объектами, движущимися случайным образом. Он доказал, что такая модель точно предсказывает наблюдаемое поведение. Представим себе каток, в центре которого лежит большая хоккейная шайба, а затем введем целую систему маленьких шайб, скользящих в случайных направлениях с определенными скоростями. Маленькие шайбы будут время от времени сталкиваться с большой, вынуждая ее двигаться в некотором направлении. Тонкость состояла в определении числа маленьких шайб и их относительных размеров, необходимых для получения наблюдаемого поведения большой шайбы.

Успешное воспроизведение движения пыльцы математической моделью, разработанной Эйнштейном, стало сокрушительным ударом для всех тех, кто считал, что жидкость, подобная воде, представляет собой сплошную субстанцию. Любому, кто еще верил в Аристотелево видение материи, было бы чрезвычайно трудно предложить столь же убедительное объяснение.

Вычисления позволили оценить, насколько малы молекулы воды по сравнению с частицами пыльцы, которые они толкают. Хотя тем самым было получено убедительное доказательство того, что материя состоит из дискретных частей, вопрос о возможности дальнейшего бесконечного деления таких частей на еще меньшие части оставался открытым.

И действительно, неделимые атомы оказались вовсе не неделимыми, когда были открыты еще меньшие составные части, образующие, например, атомы углерода или кислорода. На следующем, более глубоком, уровне оказалось, что атом собран из еще меньших «шайб», называемых электронами, протонами и нейтронами, причем первые из них были обнаружены еще за несколько лет до революционного теоретического открытия Эйнштейна.