Нам було б нелегко почати прямо з сьогоднішніх поглядів. Подивімося краще, як виглядав світ приблизно в 1920 р., а потім зітремо з цієї картини зайве.
До 1920 р. картина була приблизно такою. «Сцена», на якій виступає Всесвіт,— це тривимірний простір, описаний ще Евклідом; усе змінюється в середовищі, яке називається часом. Елементи, що виступають на сцені,— це частинки, наприклад атоми; вони мають відомі властивості, скажімо властивість інерції: коли частинка рухається в якомусь напрямку, то робить це доти, доки на неї не подіють сили. Отже, другий елемент — це сили; вважалося, що вони бувають двох сортів. Перший, надзвичайно заплутаний тип — сила взаємодії, тобто сила, що скріплює атоми в різних їхніх комбінаціях; вона, наприклад, і вирішує, швидше чи повільніше почне розчинятися сіль при нагріванні. Інший же сорт сил — це взаємодія на далеких відстанях — притягання, спокійне й рівне; воно змінюється обернено пропорційно квадрату відстані і зветься тяжінням, або гравітацією. Закон її відомий і простий. Але чому тіла лишаються в русі, почавши рухатися, або чому існує закон тяжіння — це було невідомо.
Продовжуємо наш опис природи. З цього погляду газ, як, утім, і вся речовина,— це міріади рухомих частинок. Отже, багато з того, що ми побачили на морському березі, тепер просто пов'язується в єдине ціле. Тиск зводиться до ударів атомів об стінки; знесення атомів (їхній рух в один бік) — це вітер; хаотичні внутрішні рухи — це теплота. Хвилі — надлишок тиску, місця, де зібралося занадто багато частинок; розлітаючись, вони нагнітають у нових місцях такі самі скупчення частинок; ці хвилі надлишку густини і є звуками. Зрозуміти все це було неабияким досягненням (дещо про це ми вже писали в попередньому розділі).
Які сорти частинок існують? У той час вважалося, що їх 92; вісімдесят дев'ять типів атомів на той час були відкриті. Кожен тип мав свою назву.
Далі поставала проблема: що таке сили близькодії. Чому атом вуглецю притягує один, у кращому разі два атоми кисню, але не більше? У чому механізм взаємодії між атомами? Чи не тяжіння це? Ні. Воно занадто слабке для цього. Треба уявити собі силу, подібну до тяжіння, теж обернено пропорційну квадрату відстані, але незрівнянно потужнішу. У неї є ще одна відмінність. Тяжіння — це завжди притягання; припустімо тепер, що бувають «предмети» двоякого сорту, і ця нова сила (мається на увазі, звісно, електрика) має таку властивість, що однакові сорти відштовхуються, а різні притягуються. «Предмет», що несе з собою цю сильну взаємодію, називається зарядом.
Що ж тоді виходить? Припустімо, що два різні сорти (плюс і мінус) прикладені один до одного впритул. Третій заряд перебуває віддалік. Чи відчує він притягання? Практично ні, якщо перші два однакові за величиною: притягання одного й відштовхування іншого зрівноважаться. Отже, на помітних відстанях сила непомітна. Але коли третій заряд наблизиться впритул, то виникне притягання: відштовхування однорідних зарядів і притягання різнорідних прагнутимуть звести між собою різнорідні заряди і віддалити один від одного однорідні. У підсумку відштовхування виявиться слабшим за притягання. З цієї причини атоми, що складаються з позитивних і негативних зарядів, мало впливають один на одного на помітних відстанях. Зате вже якщо вони зблизяться, то вільно можуть «розглядати зсередини» один одного, перебудовувати розташування своїх зарядів і сильно взаємодіяти. Урешті-решт саме електрична сила пояснює взаємодію атомів. Ця сила настільки велика, що всі плюси й мінуси зазвичай вступають у гранично тісний зв'язок один з одним: вони стягнуті наскільки можливо. Усі тіла, навіть наші власні, складаються з найдрібніших плюс- і мінус-часточок, які дуже сильно взаємодіють одна з одною. Кількість плюсів і мінусів добре збалансована. Лише на мить випадково можна зішкребти кілька плюсів або мінусів (зазвичай мінуси зішкребти легше); тоді електрична сила виявиться незрівноваженою, і можна відчути дію електричного притягання.
Щоб дати уявлення про те, наскільки електрика сильніша за тяжіння, розташуймо дві піщинки розміром у міліметр за 30 м одна від одної. Нехай усі заряди тільки притягуються і їхня взаємодія одне на одного всередині піщинок не гаситься взаємно. З якою силою ці дві піщинки притягувалися б? Із силою в три мільйони тонн! Розумієте тепер, чому найменшого надлишку чи нестачі позитивних або негативних зарядів достатньо, щоб спричинити помітну електричну дію? З тієї самої причини заряджені тіла не відрізняються ні за масою, ні за розміром від незаряджених: потрібно занадто мало частинок, щоб зарядити тіло так, аби відчулося, що воно заряджене.
Знаючи все це, легко було уявити собі й будову атома. Вважалося, що в його центрі — позитивно заряджене електрикою дуже масивне «ядро», воно оточене певним числом «електронів», дуже легких і заряджених негативно. Забігаючи наперед, зауважимо, що згодом у самому ядрі були виявлені два роди частинок — протони і нейтрони, вельми важкі і з близькими масами. Протони заряджені позитивно, а нейтрони не заряджені зовсім. Коли в ядрі атома є шість протонів і ядро оточене шістьма електронами (негативні частинки звичайного світу матеріальних тіл — усі електрони, вони набагато легші за протони й нейтрони), то цей атом у хімічній таблиці стоїть під номером 6 і зветься вуглецем. Атом, що має номер 8, зветься киснем, і так далі. Хімічні властивості залежать від зовнішньої оболонки — електронів, а точніше, лише від того, скільки їх там; усі хімічні особливості речовини залежать від одного-єдиного числа — кількості електронів. (Список назв елементів, складений хіміками, насправді можна замінити нумерацією 1, 2, 3 і так далі. Замість того щоб казати «вуглець», можна було б сказати «елемент шість», маючи на увазі шість електронів. Але, звісно, коли відкривали елементи, не підозрювали, що їх можна так пронумерувати; до того ж називати їх за номерами не дуже зручно. Краще, щоб у кожного з них було власне ім'я і символ.)
І ще багато чого стало відомо про електричну силу. Природно було б тлумачити електричну взаємодію як просте притягання двох предметів, позитивно і негативно заряджених. Однак з'ясувалося, що такий підхід погано допомагає з'ясуванню природи електричної сили. Тлумачення, яке більше відповідає стану речей, таке: коли десь є позитивний заряд, то він викривляє в якомусь сенсі простір, створює в ньому певну умову для того, щоб мінус-заряд, поміщений у цей простір, відчув дію сили. Ця можливість породжувати сили називається електричним полем. Коли електрон поміщений в електричне поле, ми кажемо, що він «притягується». При цьому діють два правила: а) заряди створюють поле і б) на заряди в полі діють сили, змушуючи їх рухатися. Причина цього стане ясною, коли ми розберемо таке явище. Якщо ми зарядимо тіло, скажімо гребінець, електрикою, а потім покладемо поруч заряджений клаптик паперу і почнемо водити гребінцем туди-сюди, то папір увесь час повертатиметься до гребінця. Прискоривши рух гребінця, можна виявити, що папір трохи відстає від його руху, виникає запізнення дії. (Спершу, коли ми водимо гребінцем повільно, справа ускладнюється магнетизмом. Магнітні впливи з'являються, коли заряди рухаються один відносно одного, тож магнітні й електричні сили насправді можуть виявитися проявами одного й того самого поля, двома сторонами одного й того самого явища. Електричне поле, що змінюється, не може існувати без магнітної дії.) Якщо папір відсунути, запізнення зросте. І тоді спостерігається цікава річ. Хоча сила, що діє між двома зарядженими тілами, змінюється обернено квадрату відстані, при коливаннях заряду його вплив поширюється набагато далі, ніж можна було очікувати. Це означає, що він зменшується повільніше, ніж за законом обернених квадратів.
Щось подібне до цього відбувається, якщо в басейн з водою кинуто поплавець; можна подіяти на нього «безпосередньо», кинувши у воду поблизу інший поплавець; при цьому якщо ви дивилися тільки на поплавці (не на воду), то ви побачите лише, що один з них змістився у відповідь на рухи іншого, тобто що між ними існує якась взаємодія. А втім, річ лише в тому, що ви збурили воду: це вода поворухнула другий поплавець. З цього можна навіть вивести «закон»: якщо трохи поворухнути поплавець, усі сусідні поплавці заворушаться. Будь поплавець далі, він би ледь похитнувся, адже ми збурили поверхню води один раз і в одному місці. Але коли ми почнемо безперервно погойдувати поплавець, виникне нове явище: побіжать хвилі, і вплив коливань поплавця пошириться набагато далі. Це буде коливальний вплив, і вже його не пояснити прямою взаємодією поплавців. Думку про безпосередню взаємодію доведеться замінити припущенням про існування води або, для електричних зарядів, того, що називається електромагнітним полем.
Зображення
Електромагнітне поле може передавати хвилі; одні хвилі — це світлові, інші — радіохвилі, загальна ж їхня назва — електромагнітні хвилі. Частота коливань цих хвиль різна. Тільки цим вони й відрізняються одна від одної. Дедалі частіше коливаючи заряд вгору-вниз і спостерігаючи потім, що вийде, ми побачимо різні ефекти; усі вони можуть бути зведені в єдину систему, якщо дати кожному свій номер — число коливань за секунду. Звичайні перешкоди від струму, що тече по проводах у житлових будинках, мають частоту порядку сотні коливань за секунду. Підвищивши частоту до 500—1000 кілогерц (1 кгц=1000 коливань за секунду), ми з квартири вийдемо «на повітря», тому що це — область радіочастот. (Повітря тут, звісно, ні до чого! Радіохвилі поширюються і в безповітряному просторі.) Збільшивши ще частоти, ми доберемося до ультракоротких хвиль і телебачення. Потім підуть зовсім короткі хвилі, їхнє призначення — радіолокація. Ще далі, і нам уже не потрібні прилади, щоб реєструвати ці хвилі, їх можна бачити неозброєним оком. У смузі частот від 5 1014 до 5 • 1015 гц коливання зарядженого гребінця (якщо наловчитися коливати його так швидко) постали б перед нами залежно від частоти як червоне, блакитне або фіолетове світло. Частоти з одного боку смуги називаються інфрачервоними, а з іншого — ультрафіолетовими. Той факт, що ми здатні бачити на певних частотах, з фізичного погляду не робить цю частину електромагнітного спектра більш вражаючою, але з людського погляду це, звісно, найцікавіша частина спектра. Просуваючись за частотою ще далі, ми отримаємо рентгенівські промені; це всього лише високочастотне світло. А ще далі піде гамма-випромінювання (див. таблицю). Гамма-випромінювання і рентгенівські промені — майже одне й те саме. Зазвичай ті електромагнітні хвилі, що виходять від ядер, називають гамма-випромінюванням, а ті, що виходять від атомів,— рентгенівськими променями, але якщо їхня частота збіжиться, то фізично ці хвилі вже не відрізниш, яким би не було їхнє джерело. Хвилі ще вищих частот, скажімо 1024 гц, можна, виявляється, отримувати штучно, на прискорювачах; на синхротроні в КАЛТЕХ це й роблять.
І нарешті, нечувано високі частоти (у тисячу разів більші) виявляються далі у хвилях, присутніх у космічних променях. Ці хвилі ми вже не вміємо контролювати.