Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Впрочем, если вы прочитали обе предыдущие части, думаю, для вас стало очевидно, что для более глубокого понимания феномена нам все же необходимо перейти на уровень микрочастиц.

Так, гораздо легче понять свойства газов, если представить газ как совокупность молекул (см. ч. I)[113].

В этом третьем томе я более подробно расскажу о внутренней структуре вещества и энергии и попытаюсь показать, как человек путем физических опытов открыл целый мир мельчайших частиц, который мы не можем увидеть, и как много это открытие дало тому миру, что мы видим вокруг.

Понятие атомизма (так можно назвать теорию о том, что вся материя состоит из атомов) впервые ввели древние греки, основываясь в своих суждениях не на результатах опытов, а на философских выводах.

Наглядно подтвердить верность теории атомизма невозможно, так как для человека практически любое вещество является единым целым: мы ведь видим лист бумаги или каплю воды, а не частицы, из которых они состоят.

Но это еще ни о чем не говорит. Песок на пляже издалека тоже кажется единым целым, и только на очень близком расстоянии видны мелкие кристаллики, из которых он состоит. А ведь и бумага, и вода тоже могут состоять из частиц настолько малых, что их просто невозможно увидеть.

Проверить это можно следующим способом. Например, если бы мы не видели, что песок состоит из мелких частиц, то можно было бы взять в руку горсть песка, затем разделить ее на две равные части, затем каждую получившуюся часть разделить еще на две и т. д. В конце концов останется самая маленькая доля, состоящая из одной песчинки, которую уже нельзя будет разделить. То есть суть атомизма в том, что вещество нельзя делить до бесконечности, в какой-то момент останутся лишь неделимые (по крайней мере, неделимые тем же способом) частицы.

Что касается бумаги и воды, то микрочастицы, из которых состоят эти вещества, слишком малы для человеческого глаза. Как правило, человек не может увидеть или ощутить мельчайшие частицы большинства веществ. Как же тогда люди открыли само существования микрочастиц? Только лишь силой разума?

Все началось в IV веке до н.э. с парадоксов Зенона. Зенон говорил, что с помощью разума можно прийти к заключениям, которые пойдут вразрез со здравым смыслом. Выход в подобной ситуации один: надо искать ошибку либо в умозаключениях, либо в мировосприятии. Самый знаменитый парадокс Зенона называется «Ахиллес и черепаха»

Представьте, что древнегреческий герой Ахиллес, прославившийся своим умением быстро бегать, бежит в десять раз быстрее, чем черепаха. Черепаха получает фору в 100 метров, и забег начинается. Пока Ахиллес бежит 100 метров, черепаха пройдет 10 метров, когда Ахиллес пробежит эти 10 метров, черепаха продвинется еще на 1 метр, пока Ахиллес пробежит 1 метр, черепаха уйдет на 1/10 метра и т. д. То есть если мыслить так же, как Зенон, то получается, что Ахиллес никогда черепаху не догонит: та всегда будет впереди, пусть и с очень небольшим отрывом. Однако мы понимаем, что он не только ее догонит, но и перегонит.

Современная математика дает объяснение этому парадоксу. Дело в том, что расстояние, на которое черепаха опережает Ахиллеса, стремится к пределу. Внутри предела может быть сколь угодно метров, но их общая сумма вполне конечна. Так, в случае Ахиллеса и черепахи общая сумма равна 111 и 1/9 метра. То есть, как только Ахиллес пробежит 111 и 1/9 метра, он догонит черепаху и начнет ее обгонять.

Однако греки ничего не знали о математических пределах, поэтому им пришлось искать другие пути соотнесения аргументов Зенона с правдой жизни. Зенон, например, делил расстояние между черепахой и Ахиллесом на все более и более мелкие части, не отдавая себе отчета в том, что в конце концов останется столь малая часть, что ее уже нельзя будет разделить.

Возможно, именно так и устроено мироздание. Возможно, существуют какие-то мельчайшие неделимые частицы. Если принять идею о том, что нельзя делить до бесконечности, то парадоксы Зенона, основанные на бесконечном делении на все более и более мелкие части, просто исчезнут.

Возможно, подобные умозаключения и привели некоторых греческих философов к идее о том, что вся Вселенная состоит из невидимых микрочастиц. Наиболее знаменитый из этих философов — Демокрит, работавший над своей теорией приблизительно в 430 году до н.э. Он назвал эти мельчайшие частицы «атомос», от греческого «atomos» («невидимый»), откуда и произошло современное слово «атом».

Демокрит продолжил развивать свои идеи и пришел к ряду довольно современных выводов, однако все они были построены исключительно на умозаключениях. Он ничем не мог подтвердить свою теорию, просто «так должно быть».

Другие греческие философы того времени, напротив, говорили «такого быть не может» и приводили свои доводы. В целом большинство философов Греции отрицали теорию атомизма, и взгляды Демокрита были похоронены. Именно по этой причине работы Демокрита практически не переписывались, и ни одна из его многотомных работ не дошла до наших дней. Все знания о Демокрите мы почерпнули из работ других философов, но поскольку почти все они отвергали его теорию, то отзывались о его взглядах весьма пренебрежительно.

Тем не менее идеи Демокрита все же выжили. Эпикур (341–270 гг. до н.э.), начавший преподавать в Афинах в 306 году до н.э., включил атомизм Демокрита в собственную систему философских взглядов. Правда, хотя работа Эпикура и имела солидное влияние на других философов в течение нескольких последующих веков, его работы тоже не дошли до нашего времени.

К счастью, работы одного философа-«эпикурейца» все же сохранились. Римский поэт Лукреций (96–55 гг. до н.э.) написал длинное стихотворение «О природе вещей», где описал Вселенную с точки зрении атомизма. Сохранилась лишь одна копия этого произведения, которая в XV веке стала одним из первых печатных произведений античных классиков.

Таким образом, идеи эпикурейцев дошли до современной науки, и французский философ Пьер Гассенди (1592–1655) адаптировал эпикурейские взгляды Лукреция и поспособствовал популяризации доктрины атомизма.

Английский ученый Роберт Бойль (1627–1691) был одним из тех, на кого оказали сильное влияние идеи Гассенди, и именно он вывел атомизм на новую ступень развития, подкрепив идеи и домыслы опытами и наблюдениями.

Р. Бойль изучал воздух и выяснил, что его можно сжимать и расширять (см. ч. I). Другими словами, можно менять объем воздуха, а его масса при этом остается неизменной. Если бы вещество было неделимо, тогда это было бы просто невозможно: когда мы растягиваем резиновый жгут, то его длина увеличивается, однако уменьшается его толщина, следовательно, объем не меняется.