Больцман считал атомарную теорию мощным средством интерпретации концепции теплоты, основанной на идее газа, состоящего из мельчайших молекул, которые соударяются друг с другом подобно огромному множеству микроскопических бильярдных шаров. Теплота попросту представляет собой суммарную кинетическую энергию таких движущихся миниатюрных шаров. Применение этой модели в сочетании с вероятностными и статистическими методами позволило ему объяснить макроскопическое поведение газов. Но большинство физиков по-прежнему были привержены идеям непрерывности материи и относились к идеям Больцмана пренебрежительно.
Насмешки над Больцманом дошли до такой степени, что ради публикации своих идей ему пришлось отречься от своей веры в соответствие «бильярдной» теории строения материи действительной реальности и называть ее эвристической моделью. Эрнст Мах, главный противник Больцмана в дискуссии о реальности атомов, издевательски спрашивал его: «Вы сами когда-нибудь видели атом?»
Больцман был подвержен приступам депрессии и, судя по некоторым признакам, мог страдать биполярным расстройством. Считается, что неприятие его идей научным сообществом усугубило его депрессию, под влиянием которой в 1906 г., будучи на отдыхе в Триесте вместе со своей семьей, он и повесился, когда его жена с дочерью ушли купаться.
Его смерть была тем более трагической, что именно в это время стали появляться убедительные доказательства его правоты. Причем подтверждавшие атомистическую картину мира идеи, от которых к тому же было невозможно отмахнуться, принадлежали одному из самых влиятельных физиков. Тем, кто подобно Маху продолжал верить в непрерывную структуру мира, было чрезвычайно непросто объяснить результаты исследования броуновского движения, полученные Эйнштейном и другими.
Пылевой пинг-понг
Хотя обычные оптические микроскопы и не позволяют увидеть отдельные атомы, они позволили ученым XIX в. увидеть воздействие таких атомов на окружающую их среду. Это воздействие называется броуновским движением по имени Роберта Броуна, который в 1827 г. заметил случайное движение мельчайших частиц пыльцы, плавающих на поверхности воды. Поскольку пыльца – вещество органическое, Броун сначала решил, что ее прыжки по поверхности могут быть признаками жизни. Сходное случайное движение угольной пыли, плавающей на поверхности спирта, наблюдалось в 1785 г. голландским ученым Яном Ингенхаузом. Когда Броун увидел, что поведение пыльцы может быть свойственно и неорганической материи, он не мог понять, какие причины могут вызывать такое беспорядочное движение.
Интересно отметить: идею о том, что речь может идти о невидимых атомах, сталкивающихся с более крупными видимыми частицами вещества, высказал еще древнеримский поэт Лукреций в своей философской поэме «О природе вещей»:
Эти стихи были написаны в 60 г. до н. э., но для подтверждения такого атомарного объяснения случайного движения пылинок в солнечном луче у Лукреция и пыльцы у Броуна потребовался математический анализ Эйнштейна.
Нужно было предложить какую-то модель, которая воспроизводила бы странное движение частиц пыльцы на поверхности воды. Если наложить на такую поверхность координатную сетку, кажется, что частица пыльцы может с равной вероятностью двигаться влево, вправо, вверх или вниз. Ее движение похоже на перемещения пьяного человека, который совершает случайные шаги, как бы подчиняясь результатам бросков четырехсторонней игральной кости. На приведенной внизу картинке показаны траектории движения разных частиц пыльцы, которые зарисовал французский физик Жан Батист Перрен, взявшийся за решение задачи о движении пыльцы в своей книге «Атомы».