Гений. Жизнь и наука Ричарда Фейнмана

В фундаментальности представления о том, что вещество имеет зернистую структуру, ученых XVII–XVIII веков убеждало изучение газов, а не твердых тел. После совершенной Ньютоном научной революции они активно начали производить измерения, искать значения постоянных величин и выводить математические формулы, полагая, что только философский подход к изучению природы без конкретных цифровых данных мало что даст. Исследователи получали и разлагали воду, аммиак, углекислый газ, карбонат калия и десятки других веществ. Когда они научились точно определять вес исходных составляющих и конечных продуктов, то обнаружили закономерности. Например, соотношение содержания водорода и кислорода, необходимого для получения воды, всегда поддерживалось на уровне два к одному. Англичанин Роберт Бойль обнаружил, что, хотя при определенной температуре в клапане можно менять давление и объем воздуха, масса его остается неизменной. И при постоянной температуре и массе газа произведение давления газа на его объем – величина постоянная. Результаты этих измерений вызывали множество «почему». При нагревании газа увеличивается или его объем, или давление. Почему?

Тепло, казалось, способно перетекать, как жидкость – «флогистон»[33] или теплород[34]. Но последователям-натурфилософам пришла в голову куда менее интуитивно понятная идея о том, что тепло – это движение. Это было смелое заявление, так как никто не видел, чтобы предметы двигались. Ученым пришлось вообразить бесчисленное множество мельчайших невидимых частиц-корпускул, сталкивающихся друг с другом и оказывающих давление на лицо при малейшем дуновении ветра. Расчеты подтвердили эту догадку. Швейцарец Даниил Бернулли[35] развил закон Бойля, предположив, что давление газов возникает в результате столкновения с поверхностью именно таких шарообразных корпускул. А его заключение о том, что при нагревании происходит увеличение скорости беспорядочно движущихся частиц, связало понятия температуры и плотности. Корпускулярная теория получила новый виток развития, когда Антуан Лоран Лавуазье[36], очень тщательно и осторожно проводя опыты, продемонстрировал, что молекулы могут вступать в реакции, а могут образовываться в результате химических реакций, даже в тех случаях, когда газы взаимодействуют с твердыми телами, что и происходит, когда на поверхности железа образуется ржавчина.

«Материя неизменна и состоит из простейших частиц, неделимых при любых условиях, но соединенных между собой». Это значило, что атом сам по себе содержал целую вселенную, которая оставалась загадкой для будущих поколений. Математик XVIII века Руджер Бошкович, директор по оптике военно-морского министерства Франции, был своего рода провидцем в теории атома, и его взгляды эхом отразились в одном-единственном предложении Фейнмана. Представление Бошковича об атоме строилось не столько на том, из чего состоит вещество, сколько на том, что происходит с веществом при воздействии на него, и вызывало множество вопросов. Почему одни вещества способны упруго сжиматься, как каучук, а другие, как, например, воск, – нет. Почему твердые тела так и остаются твердыми, в то время как жидкости могут замерзать или испаряться? За счет чего происходят процессы кипения и брожения, когда частицы хаотично движутся с разной скоростью, сближаясь и сталкиваясь?

Стремление разобраться в природе частиц привело к необходимости изучить, какие невидимые силы притягивают и отталкивают их друг от друга, что определяет внешние свойства материи. Притягиваются друг к другу, когда они находятся на небольшом расстоянии, и отталкиваются друг от друга при сжатии – так описал это Фейнман. Такую картину уже вполне мог мысленно представить сообразительный старшеклассник в 1933 году. За два века представление о химических свойствах веществ значительно расширилось. Количество открытых элементов заметно увеличилось. Даже в школьной лаборатории можно было пропускать ток через колбу с водой, чтобы выделить легковоспламеняющийся водород и кислород. Химия, упакованная в образовательные наборы для опытов, казалось, ограничивала себя до собрания строгих правил и рецептов. Но основные вопросы все так же волновали пытливые умы. Почему целое остается целым, если атомы постоянно двигаются? Какие силы отвечают за плавное движение воздуха и воды и какие взаимодействия атомов провоцируют возгорание?

Век прогресса