Имя Эйнштейна автоматически ассоциируется у нас с какими-нибудь искажениями пространства, гравитацией и легендарной формулой. Но роль его в науке куда более значима, чем это вообще может показаться.
Вот возьмем, например, атомы и молекулы. Казалось бы, сама по себе идея атома известна ещё со времен древней Греции. Мы и не спорим с этим. Но вопрос тут не в том, что мы ставим под сомнению саму логика. Вопрос в том, что более или менее объективные подтверждения существования атома тоже напрямую связаны с Эйнштейном.
Может показаться странным и даже смешным, но до публикации Альбертом Эйнштейном научной работы в 1905 году многие ведущие физики мира не верили в существование атомов. Они считали их всего лишь математическим трюком.
Чтобы понять, почему физики были настроены скептически, полезно взглянуть на то, как в то время разделялась наука. Химики успешно использовали атомную теорию на протяжении столетия. Концепция атомов идеально подходила для уравновешивания химических уравнений и организации элементов в периодическую таблицу.
Однако многие видные физики — во главе с влиятельными мыслителями, такими как Эрнст Мах и Вильгельм Оствальд — требовали строгих эмпирических доказательств. По их мнению, если объект нельзя наблюдать или непосредственно измерить, ему не место в физике. Они утверждали, что атомы — это всего лишь полезный бухгалтерский трюк, теоретический инструмент, облегчающий математику, но не обладающий физической реальностью.
То есть по сути наука начала работать с атомами на практике с того момента, как Джон Дальтон показал, что химические реакции можно рассчитать, только если предположить, что элементы состоят из частиц разного веса. Это было началом современной научной атомистики. Но эту идею принимали далеко не все.
Ключом к разрешению этого спора стало, казалось бы, не связанное с ним явление, известное как броуновское движение. В 1827 году ботаник Роберт Броун наблюдал под микроскопом пыльцевые зерна, взвешенные в воде, и заметил, что они постоянно подрагивают в хаотичном, беспорядочном танце. Зерна не были живыми, но никогда не переставали двигаться. В течение десятилетий это беспокойное движение оставалось загадкой. Факт был подтвержден, но не имел научного объяснения.
В свой «чудесный год» 1905 Эйнштейн предложил решение этого якобы парадокса. Он предположил, что вода, содержащая пыльцу, не является непрерывной, статичной жидкостью. Вместо этого она состоит из бесчисленных отдельных, невидимых частиц, которые постоянно вибрируют и сталкиваются с гораздо более крупным пыльцевым зерном. В то время как одна молекула воды слишком мала, чтобы ее увидеть или вызвать видимое воздействие, совокупное, несбалансированное воздействие тысяч таких молекул со всех сторон заставляет видимое пыльцевое зерно подергиваться и метаться.
Важно отметить, что Эйнштейн предложил не просто качественное объяснение. Он применил статистическую механику для вывода точной математической формулы, предсказывающей, на какое расстояние и с какой скоростью должны двигаться видимые частицы в зависимости от температуры жидкости и физического размера невидимых атомов. По сути, он предоставил своего рода линейку.
Если бы ученые могли измерить макроскопическое колебание взвешенной частицы, они могли бы использовать уравнения Эйнштейна для расчета точной массы и размеров невидимых атомов, сталкивающихся с ней.
Статья Эйнштейна 1905 года по этой проблеме называлась «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» (Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen) и содержала все обозначенные результаты.
Французский физик и лауреат Нобелевской премии Жан Перрен (1870–1942). Перрен провел эксперименты, подтвердившие атомные уравнения Эйнштейна.
Несколько лет спустя французский физик Жан Перрен проверил теорию Эйнштейна на практике. Перрен тщательно отслеживал движение мельчайших гранул смолы в воде под микроскопом, регистрируя их непредсказуемые траектории. Его экспериментальные измерения безупречно совпали с теоретическими уравнениями Эйнштейна. Исходя из видимого движения, Перрен успешно вычислил число Авогадро — удельное число атомов в заданном объеме вещества.
Столкнувшись с этим неопровержимым экспериментальным доказательством, оставшиеся скептики признали свою ошибку.
Оствальд и другие публично признали, что атомы являются реальными физическими объектами. Математически связав невидимые столкновения молекул с видимым колебанием микроскопических частиц, Эйнштейн коренным образом изменил физику ещё и тут.
Атом превратился из удобной философской идеи в измеримую физическую сущность с определенными размерами и массой, заложив основу для всей современной квантовой механики и физики элементарных частиц.
Позже Резерфорд расковыряет и сам атом, а мы узнаем про сложное строение этой частицы.
Telegram-канал проекта / Канал проекта в IMO
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте! На канале есть премиум, где много интересного.