открытия электрона принадлежит Дж. Дж. Томсону, он же определил величину его заряда и массы. Конечно, это открытие возникло не на пустом месте. Еще в 1862 году Вебер полагал, что с весомыми атомами связаны электрические атомы. Максвелл высказал мысль о том, что явление электролиза связано с молекулами электричества, но не развил эту мысль и не ввел молекулы электричества в свою теорию. В 1874 году Стоней, выступая на заседании Британского физического общества, предположил, что в природе есть три «естественные единицы»: скорость света, постоянная тяготения и заряд электрического атома. Он даже определил величину этого атома, разделив количество электричества, затрачиваемого на получение при помощи электролиза одного кубического сантиметра водорода, на число атомов водорода в этом объеме. Стоней предложил называть этот электрический атом электроном.

Через шесть лет Гельмгольц, по-видимому не зная о выступлении Стонея, говорил в своей фарадеевской лекции об электрических зарядах ионов, играющих роль атомов электричества. Это была идейная линия, приведшая к теории Лоренца. Параллельно развивались эксперименты. Начало им положил Гитторф, изучавший электрические разряды в разреженных газах. В 1869 году ему удалось снизить давление в разрядной трубке менее чем до 1 мм ртутного столба. При этом он заметил, что темное, несветящееся пространство, до того прилегавшее к катоду трубки, начало быстро увеличиваться, захватывая весь ее объем. Теперь вся внутренняя часть трубки стала темной, но стенки начали сильно флюоресцировать. При этом светящиеся места на стенках можно было перемещать, воздействуя на трубку магнитом. Конечно, это был явный намек на электрическую природу свечения. Исследования Гитторфа через десять лет продолжил Крукс. Проведя целый цикл эффектных опытов, Крукс писал: «…явления в этих разреженных трубках открывают перед физикой новый мир — мир, в котором материя существует в четвертом состоянии; мир, к которому применима корпускулярная теория света, — здесь свет не всегда движется по прямой линии; мир, в который мы никогда не будем в состоянии войти и по отношению к которому мы должны удовлетворяться наблюдениями и опытами со стороны».

Открытие Крукса вызвало волну интереса, а его опыты стали любимой демонстрацией не только в физических лабораториях, но и в частных домах. Однако объяснения Крукса встретили возражения, и почти двадцать лет большинство физиков предпочитало объяснять опыты Крукса особыми волнами эфира. Но сам Крукс считал, что открыл особые катодные лучи. Воззрения Крукса приобрели право гражданства, лишь когда Перрен обнаружил, что катодные лучи несут с собой электрические заряды.

Дж. Дж. Томсон писал: «Исследования, которые привели к открытию электрона, начались с попытки объяснить расхождения между поведением катодных лучей в магнитном и электрическом полях». Томсон измерил отношение заряда частиц, составляющих катодные лучи, к их массе и нашел, что этот заряд совпадает с зарядом, переносимым при электролизе. Измерения показали, что масса частицы катодных лучей меньше, чем одна тысячная массы атома водорода. Теперь мы знаем, что масса электрона в 1840 раз меньше массы протона — ядра атома водорода.

Томсон понял, что явления, открытые Круксом, свидетельствуют о делимости атомов. Из любого атома под действием электрического поля, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света или тепла можно вырвать одинаковые частицы, несущие одинаковый отрицательный заряд. Томсон говорил об электронах — это они давали о себе знать в трубке Гитторфа, это их наблюдали Крукс и Перрен. Так, одновременно, был открыт электрон и подтверждена атомная структура вещества путем отказа от многовекового представления о неделимых атомах. Атомы существуют, но они делимы!

Откуда подул эфирный ветер

Воображение Лоренца заработало с новой силой. Перед ним было добытое Максвеллом знание о том, что Вселенная пропитана электромагнитным полем, и теперь он знал, что частицами, взаимодействующими с этим полем, являются электроны. Как они взаимосвязаны друг с другом, то есть какова структура Вселенной, ее плоть и кровь? Лоренц угадал, что электромагнитное поле Максвелла не нечто изолированное и оторванное от материи. Нет, в плоть поля природой вкраплены электроны — эти элементарные частицы электричества, входящие в состав нейтральных атомов. Сочетание электрических зарядов, связанных с веществом, и электромагнитного поля образует все многообразие мира, все материальные тела. Лоренц нарисовал и механизм дыхания этой Вселенной: движение зарядов порождает электромагнитное поле, а волны поля в свою очередь вызывают движение зарядов.

Электромагнитная теория Фарадея — Максвелла — Лоренца стала на твердую почву. Теория поля слилась воедино с представлением об атомной структуре вещества. Еще один раздел классической физики казался полностью завершенным. Но недаром говорят: в науке каждый решенный вопрос ставит новые нерешенные проблемы.

Разгорелся спор о применимости уравнений Максвелла к движущимся телам, — ведь они были созданы для неподвижной среды. Особенно горячие дискуссии возникли между Лоренцем и Герцем. Таковы противоречия творчества — Лоренц, сделавший новаторское дополнение к теории Максвелла, не верил в самостоятельную сущность электромагнитных волн. Он верил в эфир и считал свет колебаниями волн эфира. В теории Лоренца эфир неподвижен, и сквозь него движутся все тела, нейтральные или заряженные частицы вещества… Эфир выступает как нечто неподвижное, абсолютное, сродни Ньютонову абсолютному пространству. Возникает искушение считать, что принцип относительности Галилея тут не работает и неподвижный эфир может служить надежной базой для определения абсолютного движения в пространстве.

С этим был не согласен Герц, замечательный экспериментатор, которому посчастливилось через двенадцать лет после создания Максвеллом его теории обнаружить реальное существование электромагнитных волн. Герц был не только экспериментатором. Как теоретик он исходил из того, что электромагнитные процессы в движущихся телах подчиняются тем же законам, что и в неподвижных. Тем самым он распространял принцип относительности Галилея с механических явлений в область электромагнитных процессов. Но он тоже верил в эфир. Чтобы удовлетворить принципу относительности, Герц предположил, что эфир, заключенный внутри тел, принимает участие в их движении. Но ему самому было ясно, что это предположение является вымыслом того сорта, с которым боролся Ньютон. Сразу понадобилась новая гипотеза, чтобы связать части эфира, движущиеся с телами, с остальным неподвижным эфиром. Каждое движущееся тело, подобно ложке, перемещающейся сквозь кисель, должно было тянуть за собой «эфирный хвост».

Кто же прав? Положение усугубляется тем, что Лоренца подводят его же уравнения. Они преподносят Лоренцу сюрприз. Вычисляя скорость света в движущейся среде, он приходит к неожиданному результату: решение уравнений таково, как будто эфир, заключенный внутри тела, следует за его движением. Лоренц написал свои уравнения, предполагая, что эфир всегда неподвижен, а решения уравнений показали, что он должен частично увлекаться движущимися телами. Получается парадоксальное положение: уравнения Лоренца не удовлетворяют принципу относительности, но их решения с большой точностью удовлетворяют ему!

Так это началось. В теории Герца скорость света в движущихся и