Статьи и речи - Максвелл Джеймс Клерк

Эти три явления — диффузия материи, движения и теплоты в газах — были исследованы экспериментально: диффузия материи — Грэхемом и Лошмидтом, диффузия движения — Оскаром Мейером и Клерком Максвеллом, а диффузия теплоты — Стефаном.

Эти троякого рода опыты дают результаты, которые при настоящем несовершенном состоянии теории и при крайней трудности самых опытов, особенно с теплопроводностью, можно сказать, ещё довольно сносно согласуются друг с другом.

При атмосферном давлении и при температуре таяния льда средний путь молекулы водорода составляет около одной десятитысячной миллиметра, или около 1/5 длины волны зеленого света. Средние пути молекул других газов короче.

Определение молекулярного объёма газа пока ещё весьма неточно. Самый лучший способ — это сжатие газа до жидкого состояния. Ввиду большого сопротивления жидкостей сжиманию кажется вероятным, что их молекулы находятся почти на таких одна от другой расстояниях, на каких две молекулы того же вещества в газообразной форме действуют друг на друга во время встречи. Если это так, то молекулярный объём газа несколько меньше объёма жидкости, в которую он сгущается под давлением, или, другими словами, плотность молекул несколько больше плотности жидкости.

Нам известны относительные веса различных молекул с большой точностью, а зная средние пути, мы можем приблизительно вычислить их сравнительные диаметры. Отсюда можно вывести относительные плотности различного рода молекул. Вычисленные таким образом относительные плотности Лоренц Мейер сравнивал с наблюдёнными плотностями жидкостей, в которые эти газы сгущаются, и нашёл между ними замечательное соответствие. Однако что касается соотношения между молекулами жидкости и молекулами её пара, то на этот счёт существует большое сомнение, так что пока не будет сделано большее число сравнений, до тех пор слишком полагаться на вычисленные плотности молекул нельзя. Другой и, может быть, более тонкий метод принят Ван-дер-Ваальсом, который выводит молекулярный объём из отклонений давления от закона Бойля при сжатии газа.

Первое численное определение диаметра молекулы было сделано Лошмидтом в 1865 г. на основании средних путей и молекулярного объёма. Независимо от него и от других, Стони в 1868 г. и сэр В. Томсон в 1870 г. обнародовали результаты подобного же рода, причём числа Томсона получены были не только этим путём, но и из соображений, основанных на толщине мыльных плёнок и на электрическом действии между цинком и медью.

Диаметр и масса молекул, полученные на основании этих методов, оказались вообще весьма малы, но никоим образом не бесконечно малы. Около двух миллионов молекул водорода, положенных в ряд, заняли бы миллиметр, и около 200 миллионов миллионов миллионов их весили бы один миллиграмм. Числа эти нужно рассматривать как весьма грубые приближения; они, по мере усовершенствования науки, будут исправлены более разнообразными и точными опытами, но основной результат, который, по-видимому, установлен, есть то, что определение массы молекулы — законный объект научного исследования и что эта масса никоим образом не есть величина неизмеримо малая.

Лошмидт иллюстрирует эти молекулярные измерения сравнением с малейшими величинами, видимыми посредством микроскопа. Ноберт, говорит он, может начертить 4000 линий на протяжении миллиметра. Промежутки между этими линиями видны в хороший микроскоп. Куб, сторона которого равна 1/400 миллиметра, можно считать за наименьший видимый объект для современного наблюдателя. Такой куб будет содержать от 60 до 100 миллионов молекул кислорода или азота; а так как молекулы органической материи содержат в среднем около 50 более элементарных атомов, то можно допустить, что наименьшая органическая частица, видимая под микроскопом, содержит около двух миллионов молекул органической материи. По крайней мере половина каждого живого организма состоит из воды, так что мельчайшее живое существо видимое под микроскопом, не должно содержать более миллиона органических молекул. Можно предположить, что некоторый крайне простой организм составлен не более как из миллиона подобных молекул. Непостижимо, как мало молекул нужно для образования организма, снабжённого целой системой специализированных органов!

Таким образом, молекулярная физика ставит нас лицом к лицу с физиологическими теориями. Она не позволяет физиологу представить себе, каким образом структурные детали беспредельно малых размеров могут дать объяснение бесконечному разнообразию свойств и функций самых малых организмов.

Микроскопический зародыш, как мы знаем, способен развиться в животное с высокой организацией. Другой зародыш, также микроскопический, становится, когда разовьётся, животным совершенно иного рода. Но эти бесконечные по числу признаки, которыми одно животное отличается от другого, обусловливаются ли, каждое, некоторым различием в структуре соответствующих зародышей? Если даже и допустить это как вещь возможную, то сторонники пангенезиса скажут нам, что мы должны допустить ещё большее чудо. Ведь, согласно этой теории, микроскопический зародыш не есть лишь индивидуальное тело, он — представитель, содержащий члены, собранные со всех ветвей широко раскинувшегося родословного дерева, и числа этих членов вполне достаточно не только для того, чтобы передать наследственные особенности каждого органа тела и каждой привычки животного от рождения до смерти, но также и для того, чтобы дать возможность запасу скрытых задатков переходить в недеятельном состоянии от зародыша к зародышу до тех пор, пока, наконец, особенности предков, им представляемые, не возродятся вновь в каком-нибудь отдалённом потомке.

Некоторые представители этой теории наследственности пытались избежать трудности совмещения целого мира чудес в таком малом и в таком лишённом всякой видимой структуры теле, как зародыш, пустив в ход фразу о бесструктурных зародышах12*. Но одна материальная система может отличаться от другой только конфигурацией и движением, которые она имеет в данный момент. Поэтому объяснять различия функций и развития зародыша без допущения различий структуры — то же, что допускать, что свойства зародыша не суть свойства чисто материальной системы.

Что касается природы и движения молекул, которыми мы до сих пор занимались, то доказательства были заимствованы из опытов над газами, причём мельчайшая ощутимая часть таких сред содержит миллионы миллионов молекул. Постоянство и однообразие свойств газовой среды ость прямой результат невообразимой беспорядочности теплового движения её молекул. Всякая причина, которая могла бы внести правильность в тепловое движение и заставить молекулы совершать их движение упорядоченно и методически, могла бы задержать или даже обратить это стремление к диффузии материи, движения и энергии,— стремление, представляющее собой одно из самых неизменных явлений природы, которому Томсон дал название рассеяние энергии.

Так, например, когда звуковая волна проходит через массу воздуха, то её движение имеет известный определённый характер и, предоставленное самому себе, все это движение распространяется на другие массы воздуха, причём звуковая волна идёт дальше и дальше, оставляя воздух за собой в покое. С другой стороны, теплота никогда не исходит из горячего тела без того, чтобы не перейти к более холодному телу, так что энергия звуковой волны или всякая иная форма энергии, распространяющаяся так, что из одной части среды целиком вся переходит в другую, не может быть названа теплотой.

Теперь мы должны обратить наше внимание на класс молекулярных движений, настолько же замечательных своей правильностью, насколько тепловые движения замечательны своей неправильностью.

Посредством спектроскопа найдено, что свет, испускаемый раскалёнными телами, бывает различен, смотря по состоянию их сгущения. Когда они находятся в состоянии крайнего разрежения, спектр их света состоит из ряда резко отграниченных светлых линий. Когда вещество становится плотнее, спектр стремится сделаться непрерывным либо так, что линии становятся шире и расплывчатее, либо так, что между ними появляются новые линии и полосы, пока спектр во всю длину не утратит всех своих характерных линий и не сделается тождествен со спектром твёрдых тел, нагретых до той же температуры.