часть I: "У истоков электрона. Таинственные катодные лучи"
часть II:" У истоков электрона. Викторианский оккультизм и таинственные катодные лучи"
Часть III
В 1875 году, почти через десять лет, как Иоганн Гитторф опубликовал свою первую работу и через четыре года с момента выхода статьи Кромвеля Варлея, на пути открытия электрона появляется еще один талантливый и неординарный лондонский химик, физик и бизнесмен, один из исследователей и ярый сторонник спиритуализма - Уильям Крукс.
В 1845 году был открыт Королевский химический колледж при поддержке принца Альберта. Открытие этого колледжа имело свой большой смысл. Дело в том, что в 1837-1844 годах Великобританию посещал известный немецкий химик Юстас Либих. Он убедил Королевских особ в необходимости знаний химии и особенно органической химии, что позволит преобразить британское сельское хозяйство, отказаться от практики севооборота и перейти на использование химических и органических удобрений, тем самым увеличив урожайность сельхоз продукции с уменьшением трудозатрат. В 1848 году в этот колледж поступает Уильям Крукс и после его окончания работает ассистентом при колледже до 1854 года. Уильям Крукс попал в эпоху стремительного развития фотографии. Его поступление в Королевский химический колледж было желанием узнать больше о химических процессах в фотографии и на протяжении всего своего срока обучения он много занимался фотографическими экспериментами. Затем стал работать метеорологом в обсерватории Рэд Клифф в Оксфорде. В 1858 году Уильям Крукс унаследовал достаточное количество денег и решил основать свою собственную химическую лабораторию в Лондоне, в которой смог 1861 году открыть и через год выделить химический элемент таллий.
В 1859 году Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф разработали пламенный спектральный анализ химических элементов. Любые атомы и молекулы имеют характерные частоты (цвет) излучения, которые они испускают и поглощают, своего рода "уникальный оптический отпечаток пальца", который однозначно идентифицирует химический элемент или молекулу . Сжигая в пламени горелки неизвестное вещество, можно узнать его состав по цветам излучаемого света при горении. Устройство, которое использует этот принцип называется спектроскоп. Спектроскоп может использоваться для пространственного разделения характерного спектра излучения на экране, где они выглядят как изолированные яркие линии.
Еще в 1850 году Август фон Гофман, учитель по химии Уильяма Крукса из Химического колледжа, передал ему 2х килограммовый образец сернокислого шлама, полученного из осадка свинцовых камер завода по производству серной кислоты в немецком в Тилькероде, который содержал некоторое количество селена и попросил предложить метод извлечения селена из образца. Результатом этого исследования стала первая опубликованная в 1852 году научная работа Уильяма Крукса. После выделения селена из сернокислого шлама остался небольшой остаток, который, как предполагал Уильям Крукс, содержал некоторое количество химического элемента теллур. Он решил сохранить этот остаток для дальнейшего изучения.
Прошло почти десятилетие и в 1861 году возникла потребность в теллуре для некоторых своих экспериментов. Уильям Крукс решил извлечь теллур из этого остатка. Чтобы проверить наличие теллура в остатке, он использовал метод спектрального анализа. Проведя спектральный анализ образца остатка, он установил, что остаток содержит много селена, а также заметил ярко-зеленую линию, которую никогда раньше не видел. Это наблюдение привело его в восторг, вот его слова:
"Часть остатка, введенное в голубое газовое пламя горелки, давала доказательства наличия селена; но по мере того, как чередующиеся светлые и темные полосы из-за этого элемента становились все слабее, я ожидал появления несколько похожих, но более близких полос теллура, вдруг в поле зрения вспыхнула яркая зеленая линия и так же быстро исчезла. Изолированная зеленая линия в этой части спектра была для меня новой".
Оказалось, что обнаруженная зеленая спектральная линия принадлежит новому химическому элементу. Из-за зеленого цвета этой спектральной линии, Уильям Крукс назвал новый химический элемент "таллий" от греческого слова thallos, означающего новый зеленый побег.
В 1870 году Уильям Крукс начал самые странные четырехлетние исследования в своей карьере- исследования «феноменов, называемых духами». Ему тогда было тридцать восемь лет. Он погрузился в эти исследования и добился такой же известности исследователя психических явлений, как известный химик и физик. Уильям Крукс считал себя основателем новой науки о сверхъестественном. Как и его друг Кромвель Варлей, он попал под влияние набирающего силу в Европе американского оккультного течения "современный спиритуализм" и считал очень важным исследование медиумов. Целью его работы было предоставить строгое научное доказательство объективности и подлинности «физических явлений спиритуализма». По его мнению, эти исследования и будущие открытия позволили бы изменить научный мир и открыть новую эру человеческого прогресса.
Как и Кромвель Варлей, в 1870 году Ульям Крукс подверг исследованиям знаменитого медиума Дэниэла Хоума. В течение примерно трех лет, до лета 1873 года, Уильям Крукс провел 29 сеансов с Хоумом и наблюдал множество различных явлений, включая левитацию, фантомы, летающий аккордеон играющий музыку, светящиеся руки, светящиеся облака и общение с невидимыми сущностями. Уильям Крукс пришел к убеждению, что Хоум не был шарлатаном и что через него действовала некая форма «психической силы».
В октябре 1871 года его познакомили с мисс Флоренс Кук, известной медиум -материализатор. За три года он провел с ней более сорока сеансов, многие из них в его собственном доме, и полностью убедился в подлинности ее явлений. Все эксперименты с Флоренс Кук убедили его в том, что за этими явлениями стоит сверхмирской разум- все это позволило ему стать убежденным спиритуалистом.
Медиум Флоренс Кук находясь в трансе установила контакт и вызвала некую духовную сущность, называвшая себя «Кэти Кинг». Сеансы продолжались и постепенно развиваясь, пока форма Кэти Кинг не приобрела достаточную «силу», чтобы полностью сформироваться и выйти из темного кабинета.
В процессе своих исследований Уильям Крукс организовал строгий контроль на сеансах Флоренс. В течение четырех месяцев она жила в его доме. Его очень интересовало, действительно ли можно наблюдать одновременно призрака Кэти Кинг и медиума Флоренс Кук. Уильям Крукс утверждал, что такое одновременное присутствие было и удалось даже сфотографировать обеих, где они обе присутствуют на одном снимке. С помощью системы из пяти фотокамер, он сделал 44 снимка Кэти. Он утверждал также, что он сам трогал Кэти Кинг и даже измерял ее, и отрезал локоны ее золотистых волос.
Результаты своих исследований о сенсационном подтверждении материализации медиумом Флоренс Кук призрака по имени "Кэти Кинг", Уильям Крукс подробно изложил в своем ежеквартальном химическом журнале. Научное сообщество было шокировано публикацией работы Уильяма Крукса . В результате он подвергся сильной критике со стороны многих ученых – тех, кто полагал, что такие явления полностью противоречат научному мировоззрению. Королевское общество отклонило статьи Уильяма Крукса по этому вопросу на том основании, что большинство его коллег были совершенно не готовы признать это явление подлинным. Беспокойство Уильяма Крукса по поводу того, что его «исключат из Королевского научного общества», было вполне обоснованным. Пытаясь установить связь между наукой и сверхъестественным, Уильям Крукс не смог добиться основной цели - он не смог строго научно доказать существование связи естественного мира с миром психическим- «Два мира оставались несоизмеримыми". Хотя к этому времени Уильям Крукс завершил свое исследование спиритуализма, но он до конца своей жизни оставался сторонником идей сверхъестественного.
В процессе своих уникальных работ по получению и выделению нового элемента Таллия, очень важным было измерение его атомного веса. Уильям Крукс взялся за эту задачу, но представил окончательные результаты своей работы только в 1873 году, т.е. почти через десять лет, в статье "Об атомном весе таллия". Химическим путем он смог выделить этот элемент и измерил его атомный вес - 204,04 а.е.м. Все это время он проводил много систематических взвешиваний использовав два метода взвешивания -один в воздухе, а другой в вакууме. Оба метода были рассчитаны на взвешивание чрезвычайно малых количеств материала. В процессе своих исследований, Уильям Крукс сконструировал и изготовил несколько разных конструкций весов, которые обладали высокой точностью измерений. Еще в 1870 году, работая с вакуумными весами, Уильям Крукс обнаружил интересную аномалию - притягивающие и отталкивающие эффекты, возникающие при взвешивании на вакуумных весах, действующими между холодными и горячими телами. .Хотя многим исследователям давно было известно, что вес объектов может меняться из-за влияния тепла или холода - это считалось эффектом теплового движения потоков воздуха при обычном атмосферном давлении. Но, Уильям Крукс обнаружил, что эти эффекты существуют даже в глубоком вакууме, где не должно быть никаких воздушных потоков. Его очень заинтересовала причина, приводящая к изменению веса или сила воздействующая на объекты в процессе взвешивания в вакууме.
Чтобы выяснить причину этой аномалии, Уильям Крукс сконструировал и изготовил сбалансированную механическую систему - простейшие вакуумные весы состоящие из стеклянной трубки, внутри которой располагалось коромысло из "соломинки с двумя пробковыми шариками на концах" установленное на тонкое металлическое острие-ось опоры. При соединении с вакуумным насосом в трубке можно создавать вакуум различной глубины. Один из шариков мог подвергаться воздействию нагретой или охлажденной внешней массой, что позволяло наблюдать любое кажущееся изменение веса шарика по изменению наклона балки. 11 декабря 1873 года Уильям Крукс представил Королевскому обществу статью: "О действии тепла на гравитирующие массы". Суть статьи заключается в следующем -говоря о знаменитом эксперименте Генри Кавендиша, Уильям Крукс указывает, что экспериментировал в течение нескольких месяцев на этих вакуумных весах, чтобы выяснить, насколько сильно может измениться действие гравитации в знаменитом эксперименте КАВЕНДИША под воздействием тепла.
Уильям Крукс дает следующее описание полученных им результатов: "Тяжелая металлическая масса, поднесенная к тонко подвешенному легкому шарику, притягивает или отталкивает его при следующих обстоятельствах:
I. Когда шарик находится при обычном атмосферном давлении воздуха наблюдались два эффекта, если:
тяжелая металлическая масса холоднее шарика- она отталкивает шарик; тяжелая металлическая масса горячее шарика - она притягивает шарик.
II. Когда шарик находится в вакууме наблюдались два эффекта, если:
тяжелая металлическая масса холоднее шарика- она притягивает шарик; тяжелая металлическая масса горячее шарика -она отталкивает шарик.
Уильям Крукс заключает: "Плотность воздушной среды, окружающей шарик, плотность материала шарика и очень незначительная разница между температурами тяжелой металлической массы и температурой шарика оказывает столь сильное влияние на силы притяжения и отталкивания между ними, что мне было очень трудно устранить все мешающие действия температуры, электричества и других факторов, что я до сих пор не смог получить отчетливые доказательства существования независимой силы, притягивающей шарик и тяжелую металлическую массу вместе. Однако эксперимент мне показал - хотя действия двух тел при атмосферном давлении происходит в одном направлении, а в хорошем вакууме действия противоположны, но существует промежуточное давление воздуха, при котором разница температур, по-видимому, оказывает очень незначительное отталкивающее действие или вообще не оказывает никакого отталкивающего действия".
По мнению Уильяма Крукса, это указывало на то, что воздушные потоки играли определенную роль в первом случае, но во втором случае возникала какая-то новая фундаментальная сила, связанная с теплом. Он даже предположил, что эта новая сила может быть каким-то альтернативным проявлением гравитации.
Обнаружился еще один удивительный момент. Чтобы контролировать процесс взвешивания на вакуумных весах, Уильям Крукс освещал лучами света через смотровое окошко внутренние части весов. И обнаружил, что лучи света также оказывают влияние на результат взвешивания- отклоняя от равновесия балку весов. Увидев это, Уильям Крукс решил подвергнуть один из пробковых шариков прямому воздействию лучами солнечного света, последовательно действуя на него лучами различного цвета солнечного спектра. Максимальное отталкивание было обнаружено вблизи "крайнего видимого красного цвета", который, как известно, находится вблизи максимальной тепловой энергии излучения.
Лучи солнца, падающие на пробковый шарик весов в вакууме - сильно отталкивают его. Если их пропустить через линзу так, чтобы точка фокуса попала на шарик, то лучи так ударяют по шарику, как если бы по нему ударили маленьким молотком. Кроме всего, эксперимент выявил интересную закономерность - возникающая сила была пропорциональна размеру поверхности шарика, а не пропорциональна его массе. Т.к. эти явления происходили при достаточно глубоком вакууме, Уильям Крукс, показал, что они не могут быть следствием воздушных потоков. В пользу этого объяснения можно утверждать, что сильно разреженный газ может быть гораздо более подвижным, чем когда он более плотный, и поэтому более быстрое столкновение его частиц, когда они поднимаются под действием тепла от шарика, увеличит их механическое действие на шарик. Но, эти факты с таким же успехом могут быть использованы и в другой гипотезе - возникающее отклонение шарика при воздействии на него световыми лучами, обусловлено отталкивающим действием падающего на него светового излучения, разумно предположить, что бОльшая поверхность шариков при их равном весе будет иметь преимущество. Получается, что отталкивание излучением действует только на поверхность, и по-видимому, не действует на внутренние части шариков.
Результаты своих исследований Уильям Крукс изложил в статье под названием: "Притяжение и отталкивание в результате радиации". Доклад был прочитан в Королевском обществе 11 декабря 1873 года, а сам аппарат был выставлен 22 апреля 1874 года.
Чувствительность аппарата была такая, что при прикладывании теплого пальца к холодному концу трубки, находящемуся либо над , либо под пробковым шариком , последний отталкивался от него; а при использовании куска льда таким же образом вызывало притяжение шарика.
Одним из первых критиков выводов Уильяма Крукса был профессор Осборн Рейнольдс, который 18 июня 1874 году прочитал свою статью в Королевском обществе "О силах, вызванных испарением и конденсацией при поверхности", в которой приписывал наблюдаемые Уильямом Круксом эффекты процессу испарения. Он сказал : "когда излучаемое внешнее тепло падает на стекло колбы, а затем на поверхность пористого шарика, температура шарика повышается, и вся влага, находящаяся в этом шарике, начинает испаряться. Испарение будет наибольшим на том шарике, который находится ближе всего к источнику излучаемого тепла - поверхности колбы, поэтому этот шарик будет отталкиваться до тех пор, пока сила, действующая на другой, не станет равной, после чего шарики остановятся, если только импульс не будет двигать их дальше. С другой стороны, когда подносится кусок льда к колбе, температура шарика снижается, пар конденсируется и шарик притягивается к охлажденной льдом части колбы.
В ответ Уильям Крукс возразил: " Если бы эффект был обусловлен испарением и конденсацией паров воды, он должен уменьшаться и исчезать по мере увеличения глубины вакуума. Со своей стороны, я хотел бы избежать теории по этому вопросу. Насколько мне подсказали факты, я думаю, что отталкивание, сопровождающее излучение, происходит непосредственно из-за воздействия эфирных волн на поверхность шарика, и во вторую очередь из-за вмешательства воздушных потоков, электричества или испарения и конденсации. Действительно ли эфирные волны ударяют в перемещаемое вещество шарика, или же на граничной поверхности, разделяющей твердое вещество от газообразного, существуют промежуточные слои конденсированного газа, которые, принимая на себя удар, передают его нижнему слою, - это проблемы, решение которых должны быть оставлены для дальнейших исследований."
В пользу гипотезы "действия излучения" могло повлиять одно замечательное событие. В 1874 году по щедрости герцога Девонширского в Кембридже была основана Кавендишская лаборатория, а новую кафедру экспериментальной физики занял только что завершивший свой многолетний труд Джеймс Максвелл, который за оставшийся короткий период своей жизни произвел революцию в электричестве и магнетизме. С тех пор Кембридж стал одним из мировых центров экспериментальных открытий. Согласно гипотезы Джеймса Максвелла свет должен был оказывать давление на падающую поверхность и световые волны должны нести импульс, поэтому работы Уильяма Крукса были очень кстати. На этом этапе слово "притяжение" исчезло из названий статей Уильяма Крукса, он считал, что все это можно объяснить прямым давлением излучения света на сами шарики. А притяжение, создаваемое холодной массой, по мнению Уильяма Крукса, было результатом того, что холодная масса перекрывала приток тепловых лучей с этой стороны шарика, увеличивая давление на противоположной стороне.
В 1875 году Уильям Крукс изобрел новый прибор для своего дальнейшего исследования воздействия радиации(тепла) и световых лучей - радиометр. Прибор состоял из сбалансированной механической системы- двух легких коромысел на концах которых крепились тонкие круглые пробковые пластины. Эти легкие коромысла опирались на тонкое острие- точку опоры- что позволяло им осуществлять круговое вращение. Получалось небольшое вращающееся колесо с 4-мя лопастями, которое Уильям Крукс назвал "легкая световая мельница". Вся эта система была помещена в стеклянную колбу из который откачивался воздух. Полагая, что радиация (тепло) и световые лучи является движущей силой его устройства, чтобы усилить эффект он зачернил одну из сторон каждой пластины, т.о. каждая пластина имела два цвета: белый и черный.
Когда свет попадает на черную поверхность пластины, она поглощается и передает весь свой импульс пластине, но, когда свет попадает на белую поверхность, он отражается обратно и благодаря закону сохранения импульса, передает лопасти в два раза больше импульса. Поэтому колесо "световой мельницы" должно вращаться в том направлении, куда обращены темные стороны лопастей.
Вторая статья на эту тему была прочитана Круксом в Королевском обществе 22 апреля 1875 года, где он описал несколько экспериментов, окончательно опровергших теорию Рейнольдса, но был более осторожен в отношении своей собственной гипотезы. В своем выступлении он сказал: "Факты покажут свою историю. Условия, при которых они неизменно происходят, дадут законы, и теория будет развиваться без особого труда». Затем он добавил следующее: " Поскольку эксперименты, упомянутые в предыдущей статье были завершены, я более полно исследовал действие радиации на черные и белые поверхности. При максимальном вакууме, тепло, по-видимому, действует почти одинаково на белые и зачерненные тела, отталкивая их примерно в одинаковой степени. Однако действие световых лучей различно. Они отталкивают черную поверхность более энергично, чем белую поверхность".
Свои наблюдения он объяснил так: " Лучи большой интенсивности (света) проходят через стенку стеклянного сосуда, не нагревая его. Затем они падают на белую поверхность и просто отражаются снова. Однако, когда лучи света падают на черную поверхность, они поглощаются повышая температуру черной поверхности, что вызывает молекулярное движение остаточного газа и интенсивное механическое воздействие на эту поверхность. Лучи малой интенсивности (темное тепло), не проходят через стекло в значительной степени, а поглощаются стеклом и повышают его температуру. Таким образом, возникающее в этом случае молекулярное движение остаточного газа уносится с внутренней поверхности теплого пятна стекла и отталкивает все, что находится перед ним, совершенно независимо от цвета его поверхности".
Однако возникла серьёзная проблема - колесо радиометра вращалось в противоположном направлении от предсказанного Уильямом Круксом. Если бы на лопасти колеса действительно действовало световое давление, то колесо радиометра должно вращаться в том направлении, куда обращены темные стороны лопастей. На практике наблюдалось вращение в обратном направлении.
видео работы одиночного радиометра от источника тепла: кликать сюда
видео работы радиометра c простым объяснением: кликать сюда
видео работы сразу трех радиометров: кликать сюда
Несмотря на огромное разнообразие экспериментов, прогресса в объяснении истинной причины обратного вращения радиометра не было. В 1876 году молодой профессор Артур Шустер (коллега Осборна Рейнольдса) доказал, что причиной обратного вращения колеса радиометра является действие остаточного газа, содержащегося в колбе. Артур Шустер написал в статье: "исходя из кинетической теории газа, молекулы газа сталкиваются как с белой, так и с черной поверхностями лопастей одинаково и они отбрасываются назад с равными средними скоростями. Что нивелирует эффект вращения колеса- оно неподвижно. Но, когда присутствует источник тепла, черная поверхность нагревается, отталкивает молекулы с большей скоростью и создает дополнительную силу отдачи, действующую на черную поверхность пластины Это объясняет наблюдаемое вращение. Чтобы доказать свою гипотезу, Артур Шустер установил радиометр на поверхность жидкости (масла и воды) и обнаружил, что в то время как лопасти радиометра вращались в одном направлении, стеклянный корпус вращался (хотя и гораздо медленнее) в противоположном направлении, доказывая тем самым, что именно отталкивающиеся молекулы газа передают свою силу стенкам колбы.
Уильям Крукс принял эту теорию, но объяснил ее по-своему . В предварительном сообщении Королевскому обществу 16 ноября 1876 года он сказал: " Я объясняю обратное вращение под действием излучения исходя их кинетической теории газов. Однако......во-первых, я привел экспериментальное доказательство того, что наличие остаточного газа является причиной движения колеса радиометра и вообще отталкивания, возникающего в результате излучения, причем максимальный эффект наблюдается при давлении около 50 миллионных атмосферы. Согласно кинетической теории газов, отталкивание происходит за счет движений молекул остаточного газа. Когда средняя длина пути между последовательными столкновениями молекул мала по сравнению с размерами сосуда, молекулы, отскакивая от нагретой поверхности и, следовательно, двигаясь с дополнительной скоростью, помогают сдерживать приближающиеся более медленно движущиеся молекулы в сторону нагретой поверхности. Таким образом, получается, что, хотя сила отдельных ударов по нагретой поверхности увеличивается вследствие нагрева, число молекул, ударяющих по нагретой поверхности, уменьшается в той же пропорции, так что на обеих сторонах диска существует равновесие, хотя температуры поверхностей неодинаковы. Но, когда глубина вакуума доходит до такой степени, что молекул оказывается достаточно мало, а средняя длина пути между их последовательными столкновениями сравнима с размерами сосуда, быстро движущиеся отскакивающие молекулы отдают свою силу, частично или полностью и стенкам сосуда, который тоже начинает вращаться......."
В итоге, Уильям Крукс резюмирует: " Вращение колеса связано с давлением света и изменением давления остаточного газа из-за воздействия температуры в соответствии с кинетической теорией газов. Эти радиометрические силы возникают благодаря излучению, подобного свету."
Ну, а я подвожу итог своей статьи - несмотря на всё мастерство и талант Уильяма Крукса, ему не удалось создать радиометр надежно указывающий на эффект светового давления. Но, ему удалось создать прибор, который чутко реагировал на падающее излучение. И независимо от причины заставляющей вращаться колесо, свою функцию радиометр выполнял.
На этом, конечно, история радиометра Уильяма Крукса не заканчивается, а только начинается, но это уже тема следующих статей. Ну, а дальше - Уильям Крукс сделает еще один громадный шаг на пути открытия электрона... Продолжение следует....