Честная физика. Статьи и эссе.

6. Жмурки с электричеством.

 

6.2. Электричество и частицы вещества.

 

 

       Но вернёмся к электричеству, которое все жилы из экспериментаторов вытянуло, прежде чем стало ясно, что оно связано не с флюидами какими-то, а с частицами вещества. Особенно здорово это прояснилось у Фарадея в его опытах по электролизу (мы к ним ещё вернёмся), а также в ещё одной ключевой области исследований – забавах с катодными лучами. «Вышли мы все из катода!» – бодро пели эти лучи, летя в вакуумной трубке Крукса. Что только Крукс с ними не вытворял! Прежде всего бросалось в глаза их люминесцентное действие даже на стекло трубки: облучаемые места начинали, так сказать, отсвечивать. При внесении препятствия в поток лучей в отсвечивании появлялась чёткая тень, свидетельствовавшая о том, что лучи летели прямолинейно. «Мельница Крукса», т.е. лёгкая крыльчатка, облучаемая по одну сторону от оси вращения, резво вертелась. Даже ежу становилось понятно, что катодные лучи переносят импульс. Сфокусированные катодные лучи нагревали и даже расплавляли кусочки вещества! В довершение Крукс установил, что катодные лучи переносят электрический заряд и отклоняются магнитом! На основе всего этого Крукс полагал, что катодные лучи – это поток «мельчайших элементарных частиц». Но мельче ли они атомов, и если мельче, то насколько? – это было ещё не ясно.

 

       Некоторую ясность сюда привнёс Дж.Дж.Томсон. Он провёл классические опыты с воздействием магнитного и электрического полей на катодные частички. И установил, что знак заряда катодных частичек точно отрицательный, а удельный заряд одной такой частички, т.е. отношение заряда к массе, на три порядка больше удельного заряда самого лёгкого иона, водорода, а эта величина была известна из опытов по электролизу. Так, уже теплее. Но! Кабы знать по отдельности заряд и массу катодной частички, сразу стало бы ясно, что это электрон. А если знаешь только отношение заряда к массе у катодной частички, возможны варианты! Толку-то с того, что это отношение на три порядка больше, чем у иона водорода! Почему оно больше, потому что масса частички меньше? А может потому, что заряд у частички больше? А может и то, и другое?

 

       Короче, вопрос о величине дискрета электрического заряда встал во всей своей красе, и неспроста. Сегодня-то все, кому не лень, знают об элементарном электрическом заряде. А на рубеже XIX-XX веков, представьте себе, были физики, которые полагали, что частицы могут нести произвольные количества электричества, выражаемые даже не натуральными числами, а любыми дробными; и что в экспериментах проявляются лишь статистически средние величины заряда по ансамблю частиц. Сейчас конечно подобные воззрения кажутся наивными, особенно если иметь в виду, что «электрический заряд» – это просто метка для управляющей программы. Эта метка у частицы либо есть, либо её нет – третьего не дано. Но кто понимал это на рубеже XIX-XX веков, если это и сегодня мало кто понимает? Если нынешние теоретики толкуют о кварках, якобы имеющих дробные (!) доли элементарного заряда!

 

       Ни стыда у этих теоретиков, ни совести. Из «прекрасного далёка» плюют прямо в душу Милликену, который чуть в лепёшку не разбился, а величину «элементарного заряда» выложил на блюдечке. Он, знаете ли, впрыскивал мелкие масляные капельки в пространство между горизонтальными пластинами, на которые подавал электрическое напряжение. Для капелек, имевших некоторый заряд, можно было подобрать напряжение так, чтобы электрическая сила почти уравновешивала силу тяжести. И тогда капелька долго оставалась в поле микроскопа, медленно двигаясь вниз или вверх. Это происходило не в вакууме, а в воздухе, в котором предусмотрительно создавались ионы с помощью излучения маленького кусочка радия. Если капелька присоединяла к себе ион, то её масса практически не изменялась, но изменение заряда вызывало изменение её вертикальной скорости. Так вот, изменения этой скорости всегда происходили скачками. И эти скачки соответствовали изменениям заряда, которые были кратны одной и той же величине. Которую и договорились называть «элементарным зарядом».

       Потом ещё было строго научно доказано, что элементарный положительный заряд по величине точно равен элементарному отрицательному. И что в состав атомов входят электроны, имеющие элементарный отрицательный заряд, и протоны, имеющие элементарный положительный заряд. И что по массе электроны и протоны различаются почти в 2000 раз, так что Дж.Дж.Томсон не зря старался.

       Да, и главное: в нейтральном атоме одинаковы количества протонов и электронов. А если их количества неодинаковы, то это уже не атом, а ион. Столько всего встало на свои места!

 

       Впрочем, оставались ещё кое-какие неясности. Например, электрический заряд – обладает ли он энергией? Вопрос-то на засыпку. Максвеллу в его «Трактате» было легко рассуждать: «Электричество… не является, подобно теплоте, формой энергии». Но теперь считается, что зарядом порождается поле, а поле, клянутся нам, энергией всенепременно обладает. Физическая реальность же, ёлы-палы.

 

       Теперь, белочки и зайчики, пораскинем мозгами: если заряд энергией не обладает, может ли он порождать поле, которое энергией обладает? Ой, не может. А то закон сохранения энергии упадёт, совсем плохо будет. Значит энергия у электрического заряда как бы есть. Можно конечно тонким слоем размазывать сопли про то, где эта энергия локализована: на самом заряде, или в поле, или и там и сям сразу… Но, дяденьки, зачем нам нужны три тома комментариев, замутняющих вопрос? Давайте попроще: есть электрический заряд – есть поле – есть и энергия, правда? Она так и называется: «электрическая энергия» – может слышали?

       Так вот, по вашим замечательным формулам эта электрическая энергия у электрона и позитрона при их близком соседстве сопоставима с их собственными энергиями (т.е. массами, умноженными на квадрат скорости света). Внимание, вопрос: куда же девается эта нехилая энергия при аннигиляции электрона и позитрона? Ведь там на выходе оказывается энергия, соответствующая только их собственным энергиям, и ни капельки сверх этого! Экспериментаторы и так чуть в штаны не наложили от радости, когда обнаружили, что излучение аннигиляции в гробу видало релятивистский рост массы. Даже в случае релятивистских электронов и позитронов, излучение их аннигиляции даёт всё ту же спектральную линию, ставшую настоящей находкой для калибровки гамма-спектрометров! По счастливому стечению обстоятельств те экспериментаторы не заморачивались проблемой с бесследным исчезновением электрической энергии при аннигиляции, а то их радость, чего доброго, превысила бы допустимый предел.

 

       Ну ладно, экспериментаторы тихо радовались, а теоретики-то на что? Молча взирали на бесследное исчезновение электрической энергии? Проявляли преступную халатность или устраивали сознательную диверсию? Да нет, у них чистое алиби. Понимаете, слишком бурно развивалась физика, некогда было оглянуться и увидеть тот дурелом, который позади остался.

 

       Поэтому давайте сделаем важное проясняющее допущение: электрический заряд никакой энергией не обладает. Вот масса – это и есть соответствующая форма энергии, а заряд – ни в коем случае. Причём, если нет энергии у зарядов, то нет энергии и у движущихся зарядов. А то выдумали, тоже мне, энергию электрического тока как энергию движущихся зарядов.

 

       На эту тему был случай из практики. Представьте, идёт экзамен по курсу теории электричества. Девочка-отличница всё грамотно излагает. Ну, уверенно идёт на очередной «пятак». Профессору стало так хорошо, что он напоследок спросил: «А было вам на моих лекциях хоть что-нибудь непонятно?» И девочка выдала: «Вообще-то, вот простая цепь постоянного тока: аккумулятор питает лампочку, лампочка светит. Согласно уравнению непрерывности, энергия потока заряда через любое поперечное сечение этой цепи в единицу времени – одна и та же. Не понимаю: что же тогда остаётся в лампочке?» Профессор остолбенел. Он понял, что тоже этого не понимает…