Проклятые вопросы - Ирина Радунская

Связи различных разделов науки между собой и связи науки с жизнью так же глубоки и беспредельны, как сама жизнь.

ПРЕДКИ И РОЖДЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Открытие одной и той же формулы в одно и то же время двумя учёными…

является очень любопытным случаем с точки зрения теории вероятностей.

Если будущий историк захочет установить, когда именно учёные, более двух тысячелетий проникавшие в сущность света и атомов, сделали первый непосредственный шаг к лазерам, он, несомненно, вспомнит притчу о семи тучных и семи тощих коровах.

Кто из безымянных авторов Библии придумал эту притчу?

Урожайные годы бывают не только на полях, но и в лабораториях. В 1895 году А.С. Попов изобрёл радио. Тогда же Ж.Б. Перрен обнаружил отрицательный заряд катодных лучей Крукса и тем положил начало электронике. (Много лет спустя наш замечательный современник академик А.И. Берг объединил этих близнецов в синтетическую науку — радиоэлектронику.) В том же году В.К. Рентген, поддавшись всеобщему увлечению исследованиями катодных лучей, открыл новые икс-лучи, впоследствии названные его именем.

Следующий, 1896 год тоже принадлежал к тучным. Анри Беккерель, внук известного физика Антуана Беккереля, продолжал исследования свечения солей урана, таинственного явления, ставшего главным увлечением его отца Эдмона Беккереля. Оказывается, и в физике существуют династии: сын Анри Беккереля, Жан, тоже был известным физиком.

Но возвратимся к Анри Беккерелю, изучавшему люминесценцию ураниловых солей, которые ярко светились в темноте, если их до того выставляли под лучи солнца. Он открыл невидимое излучение солей урана, не связанное с предварительным освещением.

Узнав, что недавно открытые Рентгеном икс-лучи вызывают утечку электрического заряда с заряженного тела, Беккерель решил проверить, не способно ли к этому же открытое им излучение. Опыт подтвердил его догадку. Теперь он мог пользоваться двумя методами — фотографическим и электрическим. Прошло лишь два года, и супруги Кюри обнаружили, что торий обладает теми же свойствами, что и уран. Они ввели термин «радиоактивность» для обозначения особого свойства тех веществ, которые способны испускать «лучи Беккереля». Заметив, что некоторые минералы радиоактивнее тория и урана, они начали искать причину этого и обнаружили полоний, названный так в честь Польши — родины Марии Кюри, а затем радий, наиболее радиоактивный из всех известных до того радиоактивных элементов. На рубеже нашего века Беккерель обнаружил, что его лучи отклоняются магнитом, а Э. Резерфорд, о котором мир узнал лишь впоследствии, установил, что эти лучи состоят из двух частей. Он назвал одну из них альфа-излучением (она сильно поглощалась веществом), а другую — бета-излучением (она поглощалась значительно слабее).

Вскоре П. Вийяр обнаружил ещё более проникающую компоненту, совсем не отклоняемую магнитом. Он назвал её гамма-излучением.

Постепенно было установлено, что альфа-лучи заряжены положительно, бета-лучи — отрицательно, а гамма лучи совсем не несут заряда, чем напоминают лучи Рентгена. Удалось установить поразительный факт: частицы бета-лучей имеют различные скорости, а отношение их заряда к массе менялось в зависимости от скорости частиц. Это заставило вспомнить о старой мысли М. Абрагама, предположившего, что масса электрона, по крайней мере частично, зависит от окружающего его электромагнитного поля. Возник вопрос: не являются ли бета-лучи электронами?

Радиоактивные процессы возникают в самых глубинах атомов, в их ядрах, и сопровождаются выделением тепла. Пьер Кюри вместе с А. Лабордом изучили процесс и двумя способами определили, что каждый грамм радия ежечасно выделяет 100 калорий энергии. Откуда она берется?

Ещё раньше Мария Кюри предположила, что тепло выделяется радиоактивным веществом во время испускания лучей Беккереля и при этом радиоактивные вещества очень медленно изменяются. Но такая гипотеза противоречила всем основам науки — закону сохранения энергии (откуда берётся эта энергия?), закону сохранения вещества (как может изменяться радиоактивное вещество?) и интуитивному многовековому представлению о неизменности атомов.

Испугавшись собственной смелости, Мария выдвинула вторую гипотезу: радиоактивные вещества улавливают неизвестное внешнее излучение, недоступное нашим приборам, и преобразуют его в тепло и энергию радиоактивного излучения.

Время показало, что и в науке безграничная смелость лучше рабской осторожности. Все три грозных возражения против первой из гипотез превратились в её незыблемые доказательства.

Исследования радиоактивности привели к открытию радиоактивных превращений атомов. Эйнштейн выявил глубокую связь между энергией и веществом и объединил два старых закона в единый закон сохранения энергии и вещества — в закон сохранения материи.

Все явственнее назревала необходимость осознать сложные законы радиоактивных превращений, представлявшихся учёным массой несвязанных эмпирических гипотез. Особенно настоятельным это стало после 1908 года, когда Резерфорд установил, что альфа-частицы, вылетающие из радиоактивных веществ, представляют собой полностью ионизированные атомы гелия. Гелий получается из радиоактивных элементов! Столь крамольное предположение стало реальностью.

Нужно было решиться приступить к решению загадки атома. До того существовало лишь старое и весьма общее предположение У. Праута о том, что атомы всех веществ каким-то способом образуются из водорода. Гипотеза, основанная на кратности атомных весов, верность которой стала сомнительной после уточнения измерения атомных весов ряда элементов, обнаруживших существенное отклонение от кратности. (Впоследствии, после открытия изотопов, это возражение отпало, однако гипотеза Праута уже была не нужна).

Первую модель атома предложил Джозеф Джон Томсон, знаменитый Джи-Джи, которого иногда путают с не менее знаменитым Уильямом Томсоном, впоследствии получившим титул лорда Кельвина.

Короткое время Джи-Джи считал, что хорошей моделью атома могут служить магнитики А. Майера. Майер подвешивал над сосудом с водой большой магнит, а на воду пускал маленькие пробочки с воткнутыми в них намагниченными иглами.

Маленькие магнитики устанавливаются в устойчивые конфигурации: один в центре, под большим магнитом, во круг него шесть магнитиков, образующих правильный шестиугольник, затем десятиугольник больших размеров и вокруг него двенадцатиугольник. Майер заметил, что, покачав большой магнит, можно заставить маленькие магнитики переместиться. И тогда внешние конфигурации превращаются в девяти— и тринадцатиугольники. Майер считал, что это напоминает поведение некоторых реальных тел, способных изменять свои свойства при затвердении.

Впрочем, вскоре Томсон понял, что эта модель слишком сложна и не может описать многие известные свойства атомов.

В игру включился Уильям Томсон. Он заметил, что опыты с лучами Крукса, как тогда называли катодные лучи, которые, по существу, являются потоком электронов, летящих в вакууме, и бета-частицами, свидетельствуют о том, что электроны пролетают не только между атомами, но и сквозь них. Он предполагал, что электрон, находящийся вне атома, притягивается к нему с силой, пропорциональной квадрату расстояний между их центрами. Если же электрон пролетает внутри атома, то притяжение пропорционально первой степени этого расстояния. Так могло быть, но только в том случае, если весь объём атома заполнен чем-то, имеющим положительный заряд, а размеры электронов много меньше размеров атомов.

Томсон считал, что нейтральность атома обеспечивается тем, что в нём существует ровно столько электронов, сколько нужно для компенсации положительного заряда. Они располагаются по сферическим поверхностям и, возможно, вращаются вокруг центра.

Такая модель, известная под названием «атома Томсона», просуществовала более десятилетия, хотя было ясно, что она не объясняет многих фактов и не отвечает требованиям устойчивости. Так ещё раз проявила свою иронию Её Величество Наука, милостивая к корифеям, покорно несущим её шлейф, и пренебрегающая провидцами, обгоняющими её неспешную величественную поступь.

В декабре того же 1903 года, когда оба Томсона, более молодой Джи-Джи и маститый лорд Кельвин, закончили в общих чертах построение моделей атома, японский физик X. Нагаока сообщил Токийскому физико-математическому обществу о своей модели атома, построенной наподобие системы Сатурна и его колец. В следующем году это сообщение появилось в лондонском журнале «Природа», но не вызвало особого резонанса среди физиков. Сейчас мы можем лишь удивляться подобному невниманию и пытаться объяснить его гипнотизирующим влиянием авторитета, инерцией ума или традиционной ссылкой на судьбу идей, опередивших своё время.