Матвей Бронштейн - Солнечное вещество (сборник)

• Название: Солнечное вещество (сборник)
• Автор: Матвей Бронштейн
• Жанр: Физика
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-906122-03-2

«Книга «Солнечное вещество», принадлежащая перу безвременно погибшего талантливого физика Матвея Петровича Бронштейна, представляет собой незаурядное явление в области мировой популярной литературы. Она написана настолько просто и увлекательно, что чтение ее, пожалуй, ра́вно интересно любому читателю от школьника до физика-профессионала. Раз начав ее, трудно удержаться и не дочитать до конца».

(Лев Ландау, 1956 г.)

---

Джон Вильям Рэлей

Для чего понадобилась эта работа? Разве водород, кислород и азот не были взвешены и до Рэлея? Да, вес этих газов был давно известен, но Рэлей захотел взвесить их точнее, чем взвешивали их прежде. В конце прошлого века физики уже не довольствовались грубыми приборами старинных лабораторий. Им потребовались точные цифры, точные знания о свойствах вещей. Новыми, более тонкими и чуткими приборами физики стали заново измерять плотности тел, температуры плавления и кипения, оптические, химические и электрические свойства.

Джон Вильям Рэлей вооружился самыми точными весами, какие только были у него в лаборатории, и принялся за работу.

Прежде всего он решил заново взвесить водород. Он взял большой стеклянный шар и тщательно измерил, сколько литров газа может в нем поместиться. Потом воздушным насосом выкачал из шара воздух и взвесил шар. Потом наполнил водородом и снова взвесил. Точные весы показали, что шар, наполненный водородом, на столько-то граммов и столько-то миллиграммов тяжелее, чем пустой.

Оставалось только разделить граммы на литры.

Так Рэлей измерил точный вес литра водорода[6].

Покончив с водородом, он точно так же взвесил и кислород.

Потом дошла очередь и до азота.

Рэлей взял несколько литров воздуха и очистил его от кислорода. Остался азот, и этим азотом Рэлей наполнил свой стеклянный шар. Взвесив шар на точных весах, он узнал, сколько весит литр азота.

Но это было еще не все. Осторожный физик привык проверять каждый свой опыт различными способами.

Рэлей снова добыл азот, на этот раз не из воздуха, а из другого газа – аммиака. Снова наполнил он азотом стеклянный шар, снова взвесил на точных весах. И тут обнаружилась странная вещь: литр азота, добытый из аммиака, оказался на 6 миллиграммов легче, чем литр азота, добытый из воздуха. На целых шесть миллиграммов!

Шесть миллиграммов – вес небольшой. Это вес блохи.

Но один литр азота не должен быть легче другого литра азота даже и на сотую часть блошиного веса!

Рэлей снова взвесил азот воздуха и азот аммиака, и его точные весы снова показали ту же разницу – шесть миллиграммов.

Литр «воздушного» азота весил 1,2565 грамма.

Литр «аммиачного» азота – 1,2507 грамма.

– Что за странность? – подумал Рэлей. – И то и другое – азот, но у «воздушного» азота один вес, у «аммиачного» – другой. А что, если для сравнения добыть азот не из воздуха и не из аммиака, а из какого-нибудь другого вещества?

Рэлей собрал целую коллекцию веществ, содержащих азот: окись азота, закись азота, азотисто-кислый аммоний, селитру, мочевину. Из всех этих веществ он извлекал азот и взвешивал на точных весах. И что же? Оказалось, что у азота, добытого из закиси, и у азота, добытого из окиси, и у азота из азотистокислого аммония, и у азота из мочевины, и у азота из селитры вес совершенно одинаковый: 1,2507 грамма на литр – точь-в-точь такой, как у азота, добытого из аммиака.

Так почему же у азота, добытого из воздуха, вес больше? Почему «воздушный» азот – исключение? Уж не было ли какой ошибки в опыте с воздушным азотом?

Рэлей решил взвесить воздушный азот еще раз. Он снова взял несколько литров воздуха и тщательно очистил их от кислорода. Оставшимся азотом он наполнил стеклянный шар и взвесил – теперь уже в третий раз.

Упрямые весы продолжали показывать одно и то же. Литр воздушного азота весил не 1,2507, а 1,2565 грамма.

Разница ничтожная. Начинается она всего только с тысячных долей, с третьей цифры после запятой.

Но один литр азота ни в коем случае не должен весить больше другого литра азота даже и на тысячную долю!

Значит, тут кроется какая-то тайна.

Неизвестная примесь

Рэлей написал письмо о своих опытах в лондонский научный журнал «Nature» (по-русски это значит «Природа»).

Редакция журнала напечатала письмо Рэлея.

«Азот, – писал Рэлей, – весит совершенно одинаково, откуда бы его ни добыть – из азотистокислого аммония, из аммиака, из мочевины, из селитры. Одно только есть исключение: азот, добытый из воздуха. Азот воздуха тяжелее, чем азот аммиака, мочевины, селитры. Значит, азот воздуха – это какой-то особенный азот. Не сумеет ли кто-нибудь из химиков объяснить аномалию (ненормальность) воздушного азота?»

Журнал «Nature» – очень известный журнал. Не только в Англии, но и на всем земном шаре нет такого физика или химика, который не читал бы журнала «Nature».

Физики и химики всего мира прочитали письмо Рэлея, но тщетно ждал он ответа. Никто не отозвался на его письмо, никто не сумел объяснить аномалию воздушного азота.

Тогда Рэлей обратился за советом к своему приятелю, лондонскому профессору химии Вильяму Рэмзэю. Он подробно рассказал Рэмзэю о своих опытах и предложил ему вместе заняться расследованием вопроса о том, почему литр «воздушного» азота на целых 6 миллиграммов расходится в весе с литром всякого другого азота.

Вильям Рэмзэй

Рэлей и Рэмзэй долго спорили о причинах непонятного расхождения в 6 миллиграммов. Наконец Рэмзэю пришла в голову догадка: а что, если азот, добытый из воздуха, – не чистый азот? Надо бы узнать, нет ли в нем какой-нибудь неожиданной примеси, какого-нибудь тяжелого газа, который и дает эти лишние шесть миллиграммов. Что же это за газ?

Рэмзэй еще ничего не знал о нем. Одно только было несомненно: этот газ должен быть тяжелее азота. Если бы он был легче, то и азот, к которому подмешан какой-то процент этого газа, был бы легче, а не тяжелее стопроцентного азота. Ведь стакан чистого песка легче стакана, наполненного смесью песка и свинцовой дроби.

Но если к азоту воздуха подмешан какой-то тяжелый газ, то как могло случиться, что химики его не заметили? Химики делали много опытов с воздухом, – почему же они до сих пор не обнаружили, что в воздухе, если его очистить от пыли, водяных паров и углекислоты, есть, кроме кислорода и азота, еще какой-то третий газ?

Рэлей и Рэмзэй стали рыться в книгах и журналах. Они перечитывали описания всех опытов с воздухом, когда-либо проделанных учеными. Но нигде не отыскали они ни единого слова, которое могло бы подтвердить их догадку о существовании третьего газа.

И только в одной старинной книге, где описывались опыты с «мефитическим газом» (так химики восемнадцатого столетия называли азот), Рэлей и Рэмзэй наткнулись на одно место, которое заставило их насторожиться.

Забытый опыт

В конце восемнадцатого века жил в Лондоне ученый химик, которого звали Генри Кэвендиш. Это был нелюдимый и одинокий человек. Он появлялся на улицах с узловатой палкой, в длинном дедовском сюртуке и в широкополой шляпе. О его странностях и причудах по городу ходило множество слухов и басен. Передавали, будто нелюдимость его и суровость доходят до того, что иной раз за целый день он не произносит ни одного словам Говорили еще, что он очень богат и всё свое огромное состояние тратит на всякие опыты и на покупку научных машин и приборов. Об опытах своих и открытиях он никому не рассказывает: опытами и открытиями он занят для собственного удовольствия, и мнение других людей нисколько его не интересует[7]. Еще говорили, что Кэвендиш устроил у себя в доме библиотеку научных книг и открыл в нее доступ всем, кто пожелает ею пользоваться. Каждый посетитель может унести к себе домой любую книгу, оставив хозяину расписку. Шутники утверждали, будто сам Кэвендиш так строго и точно соблюдает установленные им в библиотеке порядки, что всякий раз, когда ему случается взять книгу из собственного книжного шкапа, он выдает себе расписку: «Такого-то числа такую-то книгу взял у Генри Кэвендиша Генри Кэвендиш».

Генри Кэвендиш

Чудак Кэвендиш давно умер. Давно забыта его широкополая шляпа, его сюртук, его причуды. Но физики и химики помнят, что Генри Кэвендиш первый открыл, из чего состоит вода, и первый вычислил, сколько весит земной шар.

А в 1785 году, изучая свойства «мефитического газа» – азота, он проделал опыт, который через сто девять лет научил Рэлея и Рэмзэя, как разгадать тайну воздушного азота.

Генри Кэвендиш взял стеклянную трубку, изогнутую в виде латинской буквы U. Наполнив трубку смесью азота с кислородом, он вставил ее в рюмки со ртутью – одним концом в одну рюмку, другим в другую. А потом стал через смесь азота и кислорода гнать электрические искры.

В наше время есть много усовершенствованных машин для добывания электрических искр – индукционная катушка Румкорфа, высоковольтные трансформаторы, генераторы высокого напряжения. Но во времена Генри Кэвендиша всех этих машин еще не было. Ученые знали только один способ добывать электрическую искру: трение. Кэвендиш получал электрические искры трением стекла о кожу. В машине, которая была у него в лаборатории, большое стеклянное колесо, вращаясь, терлось о кожаные подушки. Стекло и кожа заряжались электричеством, и это электричество Кэвендиш отводил по проволокам в рюмки со ртутью, – электричество стекла в одну рюмку, электричество кожи в другую. Когда электричества в рюмках скоплялось достаточно, электрические искры начинали скакать из одной рюмки в другую по изогнутой трубке, наполненной смесью азота с кислородом.