Чтобы из результатов измерений отклонения катодного луча под действием электрической силы сделать выводы о свойствах частиц катодных лучей, Томсону необходимо было рассчитать величину электрической силы, действующей на эти частицы. Теперь мы обратимся к количественной теории этих сил и познакомимся с тем, как она создавалась.
Первые представления о природе электрических сил строились преимущественно по аналогии с ньютоновской теорией тяготения. В конце своего труда «Математические начала натуральной философии» Ньютон описывал тяготение (гравитацию) как фактор, который действует на Солнце и планеты «в соответствии с количеством твердого вещества, в них содержащегося, и действие которого распространяется во все стороны на огромные расстояния, всегда уменьшаясь с расстоянием обратно пропорционально квадрату расстояния». Иначе говоря, где G — универсальная константа, называемая гравитационной постоянной, значение которой зависит от системы единиц, используемой для описания сил, масс и расстояний; эту величину требовалось установить экспериментально.
Современные измерения показывают, что если силу измерять в ньютонах, массу — в килограммах, а расстояние — в метрах, то G — 6,672-10-11 Н-м2/кг2.Закон всемирного тяготения Ньютона вполне понятен на чисто интуитивном уровне. Естественно, что сила, с которой одно тело притягивает другое, пропорциональна массам обоих тел, так что если, например, масса какого- либо тела удваивается, то удваивается и сила притяжения между ними, а потому, что также совершенно естественно, сила уменьшается, когда тела удаляются друг от друга. Казалось, есть все основания предположить, что и электрическая сила подчиняется подобному же закону, т. е. она обратно пропорциональна квадрату расстояния, причем роль массы, участвующей в гравитационном взаимодействии, при электрическом воздействии играет электрический заряд.
Первые попытки измерить зависимость электрической силы от расстояния предпринял в 1760 г. швейцарский физик Даниил Бернулли (1700—1782). Прибор, с которым работал Бернулли, был весьма примитивен, поэтому не ясно, действительно ли он открыл, что электрическое притяжение и отталкивание подчиняются закону обратных квадратов, или просто решил, что его наблюдения согласуются с этим заранее предполагаемым законом.
Закон обратных квадратов был предсказан — правда, косвенным путем — английским физиком и химиком Джозефом Пристли (1733—1804), открывшим кислород. Пристли заметил, что на тело, помещенное в замкнутую наэлектризованную полость, не действует электрическая сила, даже когда оно находится вблизи одной из стенок полости. Это наводило на мысль о результате, полученном Ньютоном, а именно: вследствие того что гравитационные силы обратно пропорциональны квадрату расстояния, тело внутри полой массивной сферической оболочки не испытывает гравитационного притяжения к стенкам этой оболочки. Но эту аналогию с тяготением вряд ли можно считать убедительной.
