Enrique Alvarez - Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

В конце XVIII — начале XIX века в Англии происходили важные общественные и экономические потрясения. Целый комплекс технологических изобретений, среди которых была паровая машина Джеймса Уатта (1736-1819), привел к модернизации промышленности. Англия вообще и Манчестер в частности были впереди всего мира в сфере практического применения последних научных открытий. Ученые, инженеры и преподаватели сыграли важнейшую роль, привлекая внимание и вызывая восхищение всех социальных классов: и самых угнетенных, для кого новейшие изобретения означали облегчение тяжелого труда, и самых благополучных, кому эти же изобретения сулили значительную выгоду. Социальные перемены повлекли за собой создание рабочих мест, улучшение производства, снижение цен и повышение благосостояния. Так появился средний класс.

Первая паровая машина была создана Томасом Ньюкоменом, однако изобретение Уатта сделало ее гораздо более производительной. Уатт снабдил паровую машину Ньюкомена системой преобразования кругового движения в линейное. Основным топливом для этих машин был уголь, а Англия являлась его крупнейшим производителем. Вскоре и текстильная промышленность обзавелась подобными изобретениями, такими как ткацкий станок Джона Кея или машины Джеймса Харгривса, Сэмюэля Кромптона или Эдмунда Картрайта. Появились локомотивы, запатентованные Уаттом в 1784 году, а затем, в 1825 году, улучшенные Джорджем Стефенсоном — человеком, который построил первую железнодорожную линию, связавшую Ливерпуль со столь дорогим Дальтону Манчестером. Не заставили себя ждать и пароходы.

Паровая машина Джеймса Уатта.

Билл Брайсон (р. 1951) в своей знаменитой книге "Краткая история почти всего на свете" (изд-во Payot, 2012) рассказывает, что в 1826 году один знаменитый французский химик приехал в Манчестер, чтобы познакомиться с Джоном Дальтоном, чье имя уже гремело по всей Европе. Он ожидал обнаружить ученого в престижном Литературно-философском обществе Манчестера (Дальтон был его председателем с 1817 года до своей смерти) или же за кафедрой блестящего научного собрания, однако застал нашего героя перед детьми в маленькой школе бедного района Манчестера. Запинаясь от смущения, французский химик спросил: "Я имею честь беседовать с господином Джоном Дальтоном?" — настолько он не мог поверить в то, что человек, объясняющий маленькому мальчику элементарные правила, мог быть знаменитым химиком. "Да, это я. Не могли бы вы присесть и подождать, пока я закончу урок арифметики?" — ответил Дальтон.

Эта история напоминает легенду, связанную с именем античного философа Диогена, который утверждал, что секрет счастья заключается в простой жизни в гармонии с природой. Повстречав могущественного Александра Македонского, Диоген попросил того отодвинуться, ибо император заслонял солнечный свет. Мы можем провести некоторую параллель между аскетичной жизнью Дальтона и жизнью древнегреческих мыслителей. В этой биографии мы часто будем возвращаться к античному пониманию слова "атом" — "неделимый". И увидим тот смысл, который вложил в это понятие Дальтон.

Вся жизнь Джона Дальтона, все его труды отмечены печатью самоотречения и самопожертвования. Дальтон был квакером — членом протестантского движения, известного также как Религиозное общество Друзей. Квакеры проповедовали простую мирную жизнь, они требовали от себя неукоснительной честности, основанной на справедливости, и осудили рабство, едва узнав о нем. Квакеры отказывались от любой роскоши, особенно вне стен церкви. Они обходились без священников, наделенных правом комментировать библейские тексты, и считали, что к Богу можно обращаться напрямую. Вероятно, именно такое почти мистическое чувство, заставляющее трепетать перед силой Божества (по-английски quake — "трепетать"), испытывал Джон Дальтон, совершая каждое из своих многочисленных открытий.

Религиозная семья и крайне скромное происхождение стали слагаемыми — как атомы слагаются в молекулы — трудного детства Джона. Он родился в самой простой семье и вполне мог бы быть главным героем одного из романов своего современника Чарльза Диккенса (1812-1870). Несмотря на исповедуемые принципы и стремление к образованию, между квакерами и остальным обществом лежала пропасть. Членам этого движения, как и другим протестантам, в Великобритании был закрыт доступ в лучшие университеты, и квакеры были вынуждены создавать собственные колледжи благодаря помощи своих более благополучных в общественном и экономическом смысле последователей. Их не интересовало богатство, однако они стремились к лучшему образованию. Джон Дальтон был необыкновенно смышленым и прилежным ребенком, и когда ему исполнилось 12, наставник поручил мальчику обучать более старших детей.

В этом возрасте юный Дальтон уже собирал гербарии и коллекционировал насекомых — бабочек, улиток, червяков. Ненасытная любознательность во многом определила характер будущего ученого. Рассказывают, что он прочитал Principia mathematica Исаака Ньютона (1642-1727) — разумеется, на латыни, — а также кропотливо записывал свои наблюдения за погодой. Эти записи Дальтон будет тщательно вести в течение всей жизни, и в конце концов они приведут его к атомной теории. Из небольшого дневника ученого мы знаем также, что он точно взвешивал все, что ел, чтобы сопоставить потом вес пищи с весом выделений организма.

Возможно, было бы преувеличением считать его необыкновенным ребенком. Нельзя сказать, что он, как, например, Томас Юнг (1773-1829), научился читать в два года, или, как Блез Паскаль (1623-1662), сформулировал теоремы Евклида еще до исполнения 16 лет, или, как Карл Фридрих Гаусс (1777— 1855), мог в раннем детстве исправить ошибки, допущенные в расчетах его отцом. И все же не стоит забывать, что врожденная любознательность и ум Джона Дальтона шли вразрез с семейными установлениями. Он не мог изучать медицину, хотя хотел этого, не мог поступить в университет, а всего лишь получил доступ в Литературно-философское общество Манчестера (доказав свою состоятельность и упрямство ученого), в котором и представлял свои открытия, а затем стал его председателем. Дальтон много путешествовал по всему Объединенному Королевству, посещал он и Францию, где его работы встречали единодушное признание. К сожалению, больное сердце и слабое здоровье заставили его отказаться от цикла лекций. И несмотря ни на что основы современной атомной теории были заложены. Как мы увидим, всего через полвека появятся такие гении, как Людвиг Больцман (1844-1906), Альберт Эйнштейн ( 1879-1955) и уже упоминавшийся Эрнест Резерфорд, которые экспериментально докажут реальное существование атомов. Дальтону понятие атома через незыблемые, но простые законы помогало объяснить химические взаимодействия и процесс образования молекул. Однако с точки зрения теории это понятие вызывало огромную проблему. По законам физики, особенно в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона и электромагнетизма Максвелла, атомы не могли существовать. Резерфорд докажет, что атомы существуют, что они обладают чрезвычайно плотным маленьким ядром и это ядро также состоит из частиц — протонов, которые и есть атом, и нейтронов.