Рисунок взят из статьи ТОМСОНА "Катодные лучи"
http://proza.ru/2023/07/25/182
Статья Томсона "Катодные лучи" появилась в 1897 году в специализированном научном издании "Философский супермаркет" (Philosophical Magazine) и сразу же произвела эффект разорвавшейся бомбы несмотря на весьма скромные объемы -- около 5 страниц -- и довольно-таки "примитивное" по научным меркам содержание. Эту статью может читать и понимать любой образованный человек, отнюдь не напичканный мудреными терминами, разве лишь после небольшого предварительного знакомства для понимания с некоторыми деталями.
А до этого в мае-июне того же 1897 года он провел серию опытов (быть точным -- три эксперимента, каждый из которых, как это и водится у ученых, состоял из многочисленных одинаковых опытов с варьированием параметров и материалов) с катодными лучами, образующимися в катодно-лучевой трубке. Катодно-лучевая трубка -- это такая строго герметизированная стеклянная трубка, из которой выкачан воздух. На одном конце трубки имеется катод -- отрицательно заряженный электрод, а на другом анод -- электрод, заряженный положительно. Между ними устанавливают высокое напряжение и благодаря этому в трубке возникает поток катодных лучей, очень хорошо и даже эффектно выглядящий для наблюдателя.
В результате этих опытов физик анонсировал Urbi et Orbi открытие отрицательно заряженной частицы, позднее названной электроном, и определена масса этой частицы. В ходе опытов ученый пропускал поток катодных лучей через магнитное поле (на рисунке его полюса обозначены буквами D и E).
Главным соображением, которые внушили мысль Томсону, что поток катодных лучей это поток электронов, было то, что при увеличении или уменьшении интенсивности этого потока при одной и той же напряженности электрического поля, он отклонялся на одну и ту же величину. Если бы этот поток был плазмой, этакой своеобразной электрической жидкостью, то чем "полноводнее" был бы поток, тем труднее было бы его свернуть с намеченного пути от катода к аноду: попробуйте свернуть реку и ручеек и вы поймете. А раз поток, полноводнее он был или жиже, всегда при неизменном магнитном поле отклоняется на одну и ту же величину, он состоит из независимых частиц, каждая из которых отклоняется только в зависимости от своей массы и своего электрического заряда.
Значение этого открытия для физики, а еще больше для возникшей позднее атомной индустрии было громадным: ни один расчет в этой сфере, хоть при создании и работе реактора, хоть атомной бомбы не возможен без этого параметра, а вернее m/e -- отношения массы электрона к его заряду.
Сама же статья может быть смело названа классикой научной литературы, а благодаря доступности содержания и вообще шедевром человеческой мысли: одной из тех, где содержатся идеи, определяющие на века духовный багаж человечества. И просто удивительно, что это статья так мало известна, хотя имя Томсона вибрирует в научной попсе весьма интенсивно.
МОТИВ НРАВСТВЕННОСТИ НАУКИ
Сама история с открытием электрона показывает, как важен в науке нравственный аспект. Который состоит не из каких-то выдающихся человеческих качеств ученых или чувства ответственности. В этом ученые ничем не отличаются от обычных людей. Тот же Томсон был несгибаемым бякой, и руководя физической лабораторией в Кембриджском университете, баррикадировал пути в науку не одному поколению физиков, заставляя заниматься им только тем, чем занимался он сам, и не давая никакого ходу самостоятельности. Надеюсь, фамилии Резерфорда и Н. Бора, а также многих других, разбежавшихся от него куда глаза глядят (у Бора они глядели в сторону Манчестера, а Резерфорда подтолкнули рвануть вообще за океан, в Канаду) вам скажут об этом.
Нравственность науки заключается не в моральных, а в том числе и аморальных, качествах ученых, а в требованиях самой науки. Для математики это обязательность доказывания выдвигаемых положений, для гуманитарных наук ссылка на источники, для физики описание эксперимента так, чтобы он мог быть повторен и воспроизведен в соответствии с описанием независимо от времени и места и обязательно с теми же результатами, что и в описании.
До Томсона уже многие производили эксперименты с катодными трубками -- Ленард, Крукс... А Перрен так вообще произвел в 1895 году эксперимент один в один с томсоновым с помощью совершенно аналогичной установки и с тем же однозначным выводом: поток катодных лучей -- это поток отрицательно заряженных элементарных частиц.
Но и у Ленарда, и у Крукса, и даже у Перрена с однозначностью результатов дело было швах. Так, Перрен в течение одного и того же дня проводил бывало по три опыта одного и того же эксперимента, с одной и той же напряженностью магнитного поля, с одной и той интенсивностью потока катодных лучей, и каждый раз получал новые результаты. Было от чего хвататься за голову. Томсон добавил в эксперимент Перрена немного: "всего лишь" добился самого глубокого, который на тот момент мог быть достигнут, вакуума. Правда, это "всего лишь" потребовало от него и всей возглавляемой им лаборатории года неустанных трудов, прежде чем он наконец перешел от подготовительной стадии к самим экспериментам.
Таким образом Томсон по праву считается открывателем электрона, хотя и Ленард и Перрен в свое время также отхватили по Нобелевской премии.
Любопытно намекнуть на одно обстоятельство. От ученых в XX веке повелось требовать результатов. Какого результата добился Томсон? Установил массу электрона? Но ее на хлеб не намажешь и шубы из нее не сошьешь -- слишком мала эта частица. А вот создание глубоко вакуума уже тогда имело большое практическое значение. Вот и бился бы Томсон за вакуум вместо того, чтобы исследовать катодные лучи, живи он на грантовые подачки или за счет финансирования "научно значимых направлений", как это приходится делать современным научным работникам (называть их учеными -- язык не поворачивается). Кстати, многие компании осаждали Томсона с выгодными коммерческими предложениями, на которые он даже не отвечал.
МОТИВ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
В физике важно не только высказать и даже обосновать идеи, но и воплотить их в форму однозначно проверяемых количественных отношений. Это то, чего не удалось в случае с исследованием катодных лучей сделать ни Круксу, ни Ленарду, ни тем более Перрену. А Томсону удалось.
"Томсон первым измерил (либо вычислил) массу электрона" -- эта фраза очень часто мелькает в научно-популярной и энциклопедической литературе, но редко расшифровывается. Почему-то считается, что измерил -- это значит совершил какие-то таинственные неподвластные обыденному человеческому уму опыты либо вычисления. Этакий шаман -- фокусник. На самом деле каким бы сложным ворохом формул не была обставлена фундаментальная научная идея, в основе она очень проста.
Это же касается и томсонового измерения массы электрона. Не запыляя мозги ненужными формулами покажем идею, из которой он исходил в своих вычислениях.
Для определения массы электрона Томсон использовал две независимые процедуры. Первая состояла в измерении и изменении угла отклонения лучей с помощью магнитного поля. Сила, которая отклоняет электрон пропорциональна его массе (чем больше масса, тем бОльшая сила требуется для отклонения), и обратно пропорциональна электрическому заряду. Величину этой силы он мог измерять и изменять произвольно вполне стандартными лабораторными средствами. Так у него появлялось одно уравнение с двумя неизвестными: масса и заряд элементарной частицы.
Нужно был придумать еще одну процедуру в которую входили бы те же параметры. И он придумал.
(см http://proza.ru/2023/07/25/182)
При прохождении катодных лучей через катодную трубку последняя нагревалась. Он вполне резонно предположил, что получающееся тепло -- это преобразованная энергия электронного потока: откуда бы еще иначе оно могло взяться. Определив путем тщательных измерений выделяемое тепло и составив формулу для энергии электронного потока, ничего кроме законов элементарной механики не используя, он снова получил одно уравнение с двумя неизвестными: все теми же массой (m) и зарядом электрона (e). Теперь решая систему из двух уравнений с двумя неизвестными он находил и m и e.
Как видим, открытие электрона было чисто умозрительной процедурой, хотя и основанной на строгом эксперименте: эксперимент давал результаты, которые логически вытекали из предположения, что существуют элементарные отрицательно заряженные частицы -- электроны. Более того, достигнутые Томсоном результаты блестяще подтвердились дальнейшими опытными данными и это еще более укрепляет нас во мнении, что электроны -- это не конструкции человеческого разума, а реальные физические объекты. И тем не менее самих электронов до сих пор никто не видел и не ощущал. То есть их существование все еще является гипотезой, а не доказанным научным фактом.
К сожалению или к счастью, на подобных гипотезах построена все здание современной науки. Понять это -- значит понять науку и не ожидать от нее чудес в виде открытия каких-то фундаментальных истин. Но и не обливать ее потоком сомнения и недоверия, понимая ее гигантские, но увы не безграничные возможности.
МИНИАТЮРЫ О НАУКЕ
http://proza.ru/2023/03/21/327