Бросим в воду мелкорастертый порошок какого-нибудь нерастворимого твердого вещества, например смолы. Попав в гущу невидимой толпы молекул жидкости, порошинки, получая беспорядочно толчки от налетающих с разных сторон молекул, должны начать метаться из стороны в сторону… И это даст ключ к установлению на опыте скрытых закономерностей молекулярного мира. Так, для примера, можно не видеть игроков в волейбол, скрытых, скажем, за высокой стеной, но, следя за взлетающим над стеной мячом, уяснить ход происходящих внизу событий.
Воссоздать картину молекулярного хаоса, исходя из отражения его в движениях пляшущих порошинок, — таков был замысел, подлежавший математическому решению.
Задача была решена с большим изяществом и блеском. Законы поведения взвешенных в жидкости пылинок оказались и впрямь отражением законов больших чисел, управляющих молекулярным хаосом самой жидкости. Исходя из видимой на глаз картины перемещений пылинок (в частности, из длины их среднего пробега между двумя столкновениями), можно было надеяться вычислить подлинные размеры молекул.
Статья за подписью «А. Эйнштейн. Берн.» была напечатана в тетрадке 17-го тома «Анналов», вышедшей в свет в мае 1905 года. «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией», — так называлась эта статья, и слово «требуемый» было тут не простой риторической фигурой. Если теория дает картину реальности, она должна, она обязана требовать от эксперимента точного и безусловного себе подчинения. «Если, — писал Эйнштейн, — выведенные здесь теоретические закономерности для поведения частиц действительно будут наблюдаться… тогда станет возможным точное определение истинных атомных размеров…» «О, если бы, — так заканчивалась статья, — каким-нибудь экспериментатором удалось вскоре подтвердить поднятые здесь важные для теории вопросы!»
Экспериментаторы нашлись, и скорее, чем мог ожидать Эйнштейн.
Самое занятное было то, что, приступая к анализу беспорядочной пляски взвешенных в жидкости пылинок, он опять-таки лишь довольно смутно припоминал, что это явление давно открыто на опыте!
Шотландский ботаник Роберт Броун три четверти века назад натолкнулся на него случайно, рассматривая под микроскопом водную взвесь какой-то цветочной пыльцы. Пылинки совершали причудливый хаотический танец. Ботаник был поражен: «жизненная сила» или иной «дух», вселившийся в материю? Он принялся лихорадочно толочь с помощью кухонной ступки все, что попадалось ему под руку. Он растолок даже осколок какого-то ископаемого кирпича, подаренного ему хранителем музея. Картина была прежней. Более крупные порошинки не двигались вовсе. Как только их размельчали до сотых и тысячных долей миллиметра, они начинали метаться из стороны в сторону, выписывая беспорядочные и трудноуловимые зигзаги. Рост температуры — это было выяснено значительно позднее — усиливал наблюдаемый эффект, как и следовало из кинетической теории вещества и из формул Эйнштейна.
Роберт Броун не торопился публиковать свою диковинную находку — отчет о ней пролежал без движения в его архиве около сорока лет! Еще меньше он мог догадываться о правильном объяснении открытого им явления. Впервые это объяснение было дано («в семидесятых годах) английским физиком Рамзаем. И вот теперь известные ученые Жорж Гуи из Лиона и Ганс Зидентопф из Вены, давно занимавшиеся броуновским движением, сообщили в Берн Эйнштейну о своих наблюдениях. Мариан Смолуховский, теоретик из города Львова, прислал оттиски своих статей из краковского научного журнала.
Смолуховский, учившийся в девяностых годах в Вене, был преследуем, как и Больцманн, тамошними учеными чиновниками. В нем видели не только поляка по национальности, но и материалиста, непримиримого сторонника атомной теории. Ему пришлось уехать в Галицию. Он начал работу над теорией броуновского движения еще за несколько лет до того, как к ней приступил Эйнштейн. Работа подвигалась медленно — на нее смотрели косо влиятельные «феноменологи» из профессорских кругов. Эйнштейн и Смолуховский не знали ничего друг о друге, но — как это часто бывает в науке — результаты, полученные ими, оказались почти тождественными. Вычисления польского физика были опубликованы на несколько месяцев позже эйнштейновских. Имена их были соединены отныне историей, и в некрологе Смолуховского (умершего преждевременно в годы первой мировой войны) Эйнштейн воздал дань уважения своему польскому собрату…
Самым впечатляющим оказалось известие из Парижа: Жан Перрен с помощью новой, поразившей всех своею смелостью методики произвел «экспериментум круцис» — решающий опыт, прямо и непосредственно запечатлевший не только качественную сторону, но и все выведенные Эйнштейном количественные связи между скрытыми толчками молекул и видимым движением пылинок.
Из эйнштейновских вычислений вытекало, в частности, что закон распределения броуновских частиц по высоте не отличается от такого же закона изменения плотности воздуха. Разница лишь численная — высота, на которой плотность воздуха падает вдвое, составляет 5,6 километра, а для частиц гуммигута (род смолы), взвешенных в воде, эта высота равна всего лишь тридцати микронам. Сосчитывая под микроскопом число «пляшущих пылинок» на разных высотах в жидкости — работа сверхювелирной тонкости, — Перрен и подтвердил с блестящей точностью предсказание Эйнштейна. Это позволило немедленно подсчитать размеры молекул — 6,210-8 (шестьдесят две миллиардных) сантиметра, например для воды. Количество молекул, содержащихся в восемнадцати граммах воды — 4,5•1023 (четыреста пятьдесят тысяч миллиардов миллиардов) штук [14], получалось столь же прямым и непосредственным образом!
Сгруппировав эти подсчеты и основные выводы из них под общим названием «Новое определение размеров молекул», Эйнштейн послал все это в качестве диссертации на степень «доктора философии» в Цюрихский университет. Диссертация уместилась на двадцати одной страничке и была посвящена «моему другу Марселю Гроссману». Профессора Клейнер и Буркхардт одобрили ее и представили на факультет, где не обошлось без насмешливых замечаний по адресу «желторотых молодых людей», которые «воображают, что им удалось наколоть на булавку атом»! Все обошлось, впрочем, благополучно, и Цюрихский университет мог поздравить себя с новым доктором философии. Несмотря на громкое звучание этого ученого титула, ему не соответствовало в швейцарских условиях ничего, кроме простой формальности. Степень вручалась без особых хлопот лицам, имеющим дипломы высших учебных заведений страны. Среди почтово-телеграфных чиновников бернского почтамта были также и «доктора философии»…
