Antonio Rojo - Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика

В 1887 году Майкельсон в сотрудничестве с американским ученым Эдвардом Уильямсом Морли поставил ряд экспериментов с модифицированным интерферометром, в котором расстояние, пройденное обоими лучами, с помощью нескольких зеркал увеличилось примерно до 11 м. Это повысило точность эксперимента, но результаты снова были отрицательными. С тех пор было поставлено множество подобных экспериментов, некоторые из них — с помощью высокоточных приборов. В 2009 году Свен Герман и его коллеги установили, что возможная разница в скорости света в зависимости от направления распространения, вызванного движением Земли, меньше, чем 1 часть от 10 17·

Томсон попытался решить проблему, изменив теорию эфира: он перешел от статической структуры, которая рассматривалась до сих пор, к динамической, предусматривавшей распространение электромагнитного поля с правильными свойствами. Однако это изменение не принесло плодов, поскольку в новой теории был нужен всего 21 независимый коэффициент, и для проведения экспериментальных наблюдений их поведение должно было быть согласованным. В Балтиморских лекциях Томсон настаивал на том, что следует с осторожностью подходить к гипотезам, в которых световой эфир рассматривается как идеальный способ найти ответ на накопившиеся вопросы. При этом ученый считал, что действительно существует «реальная материя между нами и самыми дальними звездами и свет состоит в реальных движениях этой материи».

Вы можете представить себе частицы одной вещи — вещи, движение которой представляет собой свет. Эту вещь мы называем световым эфиром. Это единственное вещество, которому мы доверяем, и если мы в чем-то можем быть уверены, так это в его реальности и вещественности.

Лекция Томсона в Филадельфии

Однако конец дискуссии приближался. Польско-американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931) и американский химик и физик Эдвард Уильямс Морли (1838-1923) уже начали ставить эксперименты, означавшие начало конца эфира, который наступил, когда Альберт Эйнштейн опубликовал в 1905 году свою специальную теорию относительности.

И все же, несмотря ни на что, Томсон упорно продолжал поиск решения, которое включало бы эфир. Незадолго до смерти он написал:

«Мне кажется вполне вероятным, что на самом деле у эфира нет никакой структуры. [ ... ] Нет никакой сложности в этом понятии о твердом упругом теле, полностью однородном, которое занимает все пространство. [ ...] О световом эфире часто говорят как о флюиде. Но уже более 30 лет, как я оставил, основываясь на доводах, которые до сих пор кажутся мне убедительными, идею о том, что эфир - это жидкость, снабженная чем-то похожим на упругость, характерную для движения. [ ...] В этом месте мы сталкиваемся с вопросом: является ли эфир несжимаемым? Должно быть, что-то нас вынуждает ответить: да, он несжимаемый, он подвержен законам всемирного тяготения. Но когда сегодня мы пытаемся понять движение, производимое эфиром в весомых и электрических атомах, которые движутся внутри него, мы можем только убедиться в том, что эфир сжимаемый. И если поверить в этот последний факт, то мы должны принять, что на эфир не воздействует гравитация».

Итак, поиск решения наталкивался на сложности, и Томсону пришлось капитулировать. В этой дискуссии привлекает внимание различие между его мировоззрением и мировоззрением Максвелла. Последний также для наглядного представления эффектов электромагнитного поля пользовался более или менее сложными моделями, но он сразу же осознал ограничения этого подхода в части понимания взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. А Томсон так и держался за устаревший механизм - возможно, из-за того, что благодаря ему он совершил все свои открытия?

Интерес Томсона к атомам и их структуре был очень давним. Еще в 1867 году в лекции «О вихревых атомах», прочитанной в Эдинбургском королевском обществе, он говорил:

«После того как я получил новость об удивительном открытии фон Гельмгольцем закона движения вихрей в идеальной жидкости (то есть во флюиде, полностью свободном от вязкости, или трения флюида), автор утверждает: это открытие неизбежно предполагает, что кольца фон Гельмгольца - это единственные настоящие атомы».

В то время наука постепенно принимала кинетическую теорию газов, разработанную Клаузиусом, Максвеллом и австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844-1906), но эта теория не давала полного объяснения всем известным экспериментальным результатам. Если допустить, что газ состоит из атомов, которые движутся на некоторой скорости и сталкиваются друг с другом, этого достаточно, чтобы объяснить свойства газов. Но с практической точки зрения — хотя взаимодействие между атомами может быть описано в терминах ньютоновской механики — решение конкретных задач было невозможным из-за огромного числа атомов даже в самых небольших объемах газа. Статистическая формулировка позволила обойти этот подводный камень, однако она не объясняла другие атомные явления, такие как поглощение и испускание света на определенной длине волны.

Томсону подобное ограничение совсем не нравилось, поэтому он добавил в теорию свои вихревые атомы и попытался понять, какими должны быть их свойства и механизмы взаимодействия между собой и с электромагнитными полями, включая свет. У него в руках была новая кинетическая теория газов. Ученый наглядно представил свои атомы как тороидальные структуры, которые не могли ни появляться, ни исчезать, они сталкивались друг с другом и могли вибрировать с определенной частотой, что позволяло объяснить характерные эффекты, наблюдаемые в спектроскопии. Следовательно, атомы и электромагнитные поля могли быть объяснены в чисто динамических терминах, но с аналитическими сложностями, «значительными, но далекими от непреодолимых с учетом современного состояния математической науки». Привлекательность этой точки зрения для Томсона была несомненной: термодинамика, электромагнетизм и свойства материи — все это опирается на механику, науку обо всем. Но через некоторое время ему пришлось отказаться от своей модели, поскольку он выяснил, что, в противоположность его изначальным предположениям, вихревые атомы нестабильны.

Томсон с ассистентом в саду его дома в Нетерхолле во время одного из экспериментов.

Вторая жена ученого, Фрэнсис Анна Блэнди.