Закон сохранения вещества в процессе создания каплей шлейфа, конечно же, не нарушается. Создавая положительный шлейф, капля живет дольше, чем можно было ожидать, по причине очевидной: она себя расходует на создание шлейфа, но при этом питается за счет тех атомов, которые оседают на ней из паровой фазы. Вопрос о законе сохранения вещества в нашем перечне был последним, и ответом на него можно закончить рассказ о каплях со шлейфом.
Английский ученый лауреат Нобелевской премии Чарлз Томас Рисс Вильсон всю свою долгую творческую жизнь посвятил исследованию капель. Ему было 25 лет, когда он впервые попал в обсерваторию на вершине снежной горы Бен-Невис в Шотландии. Там он наблюдал грозу: тяжелые облака, сверкающие молнии, грозовые разряды, вершина Бен-Невиса в ореоле разноцветных колец, движущихся и меняющих окраску. Потрясенный красотой и загадочностью виденного, Вильсон решает посвятить себя исследованиям в области физики атмосферных явлений. А это значит, что надо начинать с изучения капель, образующих облака.
В судьбе капель его интересовало все: как они зарождаются и растут, как испаряются, как меняются под влиянием различных внешних обстоятельств.
О творческом труде Вильсона, длившемся 65 лет, может быть, никто бы и не узнал, кроме метеорологов и узких специалистов по физике дождя и облаков, если бы в 1911 году он не создал прибор, в котором благодаря каплям можно сделать видимыми траектории элементарных заряженных частиц. Этому прибору — он называется камерой Вильсона — суждено было сыграть исключительную роль в развитии физики в XX веке.
Первые исследования Вильсона были посвящены изучению механизма зарождения капель. У него были талантливые и искусные предшественники. Английский физик Айткен еще в 1870 г. поставил опыты по образованию капель в изобретенной им туманной камере. Конструкция этой камеры элементарна: цилиндрический стеклянный стакан с легкоподвижным и тщательно притертым поршнем, на дне стакана слой воды, над водой под поршнем влажный воздух. При быстром поднятии поршня в стакане образуется туман из множества капелек. Возникают они по причине очевидной: при быстром расширении воздух немного охлаждается, так как для того, чтобы расшириться в пустой объем, освободившийся вследствие смещения поршня, воздуху надо потратить часть своей энергии. То количество влаги, которое до расширения насыщало воздух под поршнем, после расширения, когда воздух охладился, частично оказывается в избытке и выпадает в виде отдельных капелек, образуя туман. Айткен экспериментировал при очень небольших расширениях камеры и показал, что если воздух свободен от пыли или крупинок соли (их особенно много в атмосфере над поверхностью моря), то в момент расширения туман не возникает. Для его образования необходимы посторонние центры конденсации капель — «ядра Айткена».
Вильсон продолжил опыты Айткена, воспользовавшись его туманной камерой. Он экспериментировал много, тщательно, широко изменяя внешние условия, при которых капли могут или не могут зарождаться. Проследим шаг за шагом логику экспериментов Вильсона.
Шаг первый. Повторение опытов Айткена, сопровождаемое тщательным измерением коэффициента скачкообразного расширения камеры, т. е. отношения объема камеры после расширения к ее начальному объему (К). Результат: Айткен прав до значений К ≤ 1,252.
Шаг второй. Исследования формирования капель при значениях К 1,252 в воздухе, тщательно очищенном от посторонних примесей. Результат: до значения К = 1,370 в воздухе образуются крупные капли тумана, которые дождем падают на дно камеры; при К = 1,370, когда, как оказывается, пересыщение становится восьмикратным, процесс резко изменяется, в камере возникает густой, молочный, плотный туман. Предотвратить этот процесс оказалось невозможным. При таком огромном пересыщении центрами конденсации становятся комплексы случайно столкнувшихся молекул влаги. «Ядра Айткена» для этого не нужны.
Шаг третий. Он был сделан в 1896 г., вскоре после того, как Рентген открыл γ-лучи. Сквозь туманную камеру пропускались рентгеновские лучи. Результат: густой туман возникает и при К < 1,370. Догадка: возможно, ионы, которые образуются под влиянием рентгеновского облучения, являются центрами конденсации. Проверочный опыт: в облучаемом пространстве камеры установлены электроды, к которым подана разность потенциалов. Электрическое поле должно убрать ионы, и, если они являются центрами конденсации, образования капель не должно происходить. Опыт закончился предполагаемым результатом, подтвердил догадку.