Великите европейци - Джоузеф Джон Томсън

Преди 121 години, когато Джоузеф Джон Томсън открива самия електрон, наблюдателите са почти същите. Те пак са млади, любопитни и недоспали гении с очила и всекидневни дрехи. Разликата е само, че всекидневната дреха от края на 19 век сега е направо официална. Иначе, физиците от всички времена  са магьосници - не само защото проникват отвъд границите на въображението, но и защото работят с наистина магически реалности. Как иначе да наречем електрона - частица, която спокойно минава през два процепа едновременно, без да ѝ пука, че с това неприлично поведение руши представата за света като нормално място.

Елгар, 17.25 

Резонен е въпросът как, след като електронът е чак такава фантасмагория, Джей Джей Томсън го е открил - и то още през 1897-ма, когато изследователите нямат под ръка днешните могъщи инструменти. А ако сме слепи, как разбираме, че минава красива жена? Ами по страничните ефекти – ритъм на токчета, облак сладък парфюм…..Да, да, извинявайте, говорехме за електрона, но механизмът е същият. В края на 19 век идеите относно градивните частици на материята, са горе-долу на нивото отпреди 25 века в Индия, където се заражда атомизма на джайнистите. Или отпреди 23.5 века в Древна Гърция, където Левкип и най-вече ученикът му, Демокрит, разсъждават по темата. В древността се прави обосновано предположение, че има нещо като първична тухла, която изгражда Вселената и тя е толкова малка, та чак невидима. 

Пръв Демокрит използва понятието атом, което на гръцки означава „неделим”, за да означи въпросната тухла. Тази представа се закрепва здраво и продължава да властва в научните среди до времето на Томсън. Но, тъй като тогава вече се знае, че водородът е най-лек, смята се, че неговият атом е градивната единица, от която се раждат по-тежките атоми на други елементи. Има обаче ред проблеми, включително тъй наречените „катодни лъчи”, които се излъчват от отрицателния полюс при определени условия. Природата им, както и самото им съществуване, са необясними за учените. Точно с тях Томсън прави поредица от експерименти, които описва с математически формули. Пресмятането им пък му дава първичните основания да каже – тука има нещо абсолютно ненормално.

Елгар, 34. 13 

Няма да ви описвам самите експерименти на Джей Джей Томсън, защото, дори на български, те звучат неразбираемо за мен. Пресмятанията му обаче показват, че или зарядът на частиците в катодните лъчи е огромен, или тяхното тегло е твърде малко, около 1 100 пъти по-малко от това на водородния атом. Първото не се съгласува с реалността - ако зарядът беше толкова голям, ефектите на катодните лъчи трябваше да са видими постоянно, не само при определени условия. Второто пък не се връзва с вековните човешки представи и означава, че в тъканата на Вселената е скрита частица, далеч по-малка от атома на водорода. Като всеки разумен англичанин, Томсън отрича не реалността, а човешките представи за нея. И като цяло не греши, с което поставя началото на истинска научна революция. Оказва се, че атомът е делим и има сложна структура,  изучаването на която води човечеството до нови дълбини. 

Да, като пионер в Долната земя, както можем да наречем квантовия свят, сам Томсън не е съвсем наясно кое там какво е и как се случва. Той нарича новооткритите частици „корпускули”, но скоро възприема понятието „електрон”. То е предложено през 1891 от ирландеца Джордж Стоуни за обозначаване на „фундаментална единица за количество енергия”, но лесно пасва на новото откритие на Томсън. Самата дума „електрон” пък е гръцка и значи „кехлибар”. Нали помните онзи най-прост физически опит от основното училище – пръчка кехлибар се натрива с вълнен парцал и захвърчават искри, тоест, от нищо пред очите ви се ражда електричество. Напълно разбираема грешка прави Томсън за масата на новата частица – тя се оказва 1 800, а не 1 100 пъти по-малка от тази на водородния атом. Веднага възниква и въпросът каква е самата структура на атома, след като той не е неделим. 

Томсън предлага първото обяснение с теорията, наречена „Сливов пудинг”, която, макар също да е неточна, е стъпка в правилната посока. Според нея атомът се състои от положително заредена сърцевина, върху която са разпръснати отрицателно заредените електрони - точно като сливите по повърхността на пудинга. Този модел не издържа дълго, няколко години по-късно Ернст Ръдърфорд предлага познатия „Орбитален модел”, при който електроните обикалят атомното ядрото, както планетите обикалят Слънцето. Томсън лесно възприема това, включително защото Ръдърфорд е любимият му ученик и прави изследванията си в ръководената от него Кавендишка лаборатория в Кембридж.  

Елгар, 44.24 

Джоузеф Джон Томсън е роден през 1856 година в Манчестър в англиканско семейство от средната класа. Баща му се занимава със семейния бизнес – три поколения назад Томсънови търгуват с антикварни книги. Джей Джей е любопитно дете, което учи с лекота. Бащината идея е да стане инженер и в това има не само логика, а и романтика – да не забравяме, в Англия, в средата на 19 век, индустриалната революция твори чудеса и инженерите са малките богове на прогреса. За да стане момчето чирак в железопътна фирма обаче, семейството трябва да плати големи такси, затова го изпращат в колежа Оуенс, сегашния Манчестърски университет, едно от малкото места, където има курс по експериментална физика. 

Детето-чудо, което е само на 14 години, се захласва по него и е толкова добър, че две години по-късно, когато баща му умира, колежът му дава стипендия, за да продължи да учи. На 20 Томсън получава диплома за инженер, но е насочен от преподавателите си към Кембридж, където учи математика и теоретична физика в Тринити Колидж. Цял живот той си остава убеден привърженик на чистата наука – и в една реч от 1916 година обяснява: „Под изследвания в чистата наука имам предвид такива, направени без идея за прилагане в индустрията, само заради познание на законите на природата. Ще ви дам пример с нещо, което стана популярно през войната – използването на рентгеновите лъчи в хирургията. 

Как беше открит този метод? Приложните науки не се поставиха за цел да подобрят метода за откриване на куршумите в раните. Ако бяха, щяха да изработят подобрени хирургически сонди, но не и да открият Х-лъчите. Не, това откритие изцяло се дължи на изследване в чистата наука, направено с цел да се разбере природата на електричеството”. И добавя на друго място: „Изследванията в приложната наука водят до реформи, а тези в чистата наука – до революции. И то революции, които, независимо политически или индустриални, дават много печеливши неща – особено ако си на печелившата страна”.

Елгар, 45.57 

През 1906 година, заради откритията, свързани с електрона, Джей Джей Томсън получава Нобеловата награда за физика. Той е на 50, женен за своя бивша студентка, с две деца. Синът му по-късно буквално върви по стъпките на баща си, развива неговите изследвания и също получава Нобел за физика. Междувременно, още на 27, Томсън поема Кавендишката лаборатория в Кембридж, превръща я в привлекателен център за експериментална работа на физици от цял свят и седем от тези ученици също получават Нобелови награди. 

Макар сам да е донякъде схванат в ръцете, Джей Джей е отличен учен, който прозира в загадъчния свят на експериментите и умее да измисля значими опити с най-прости неща като стъклена тръбичка и канап. Той е чудесен преподавател, който вдъхновява студентите и отличен администратор, който развива лабораторията с малко средства. Професорът изглежда леко суховат човек, но е прекрасен събеседник с чувство за хумор и много странични интереси. Нищо не разбира само от музика –иначе се интересува от политика, научна фантастика, театър, академични спортове. Често е единствен зрител на някой колежански мач по крикет или ръгби. Поддържа добри отношения с бога и ходи на църква. Най-голямата страст след науката обаче му е градинарството. Томсън се грижи за прекрасната си градина и обикаля хълмовете около Кембридж, където прекарва целия си зрял живот, за да търси не толкова популярни видове растения. От 1906 до 1914 е вторият голям бум в научната му работа. Тогава той прехвърля вниманието си от ефектите на отрицателния полюс, катода, към онези на положителния, анода, използва новаторски метод, с който открива изотопите и за целта измисля прадядото на апарата, познат днес като мас-спектроскоп. 

Джоузеф Джон Томсън умира през 1940-та, на 83. Погребан е с почести в Уестминстърското абатство, където британците полагат наистина само най-великите си синове и където никой не може да се уреди с връзки.  

Елгар, 13. 16