Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Путь Резерфорда к открытию был далеко не прямым. В начале своих исследований ученый и не думал, что по их завершении откроет структуру атома. Только впоследствии он осознал, что для выполнения такого эксперимента и понимания его сути имеются как необходимые инструменты, так и способы использования этих инструментов. Понадобилось определенное время и на то, чтобы убедить окружающих129.

Резерфорд, массивный краснолицый человек с тюленьими усами, отличался необычайной уверенностью в себе, а говорил громко и напористо. Он постоянно требовал от своих ассистентов и сотрудников «быть проще». Когда его просили объяснить причины его успеха, он обычно заявлял: «Я ценю простоту, так как сам всегда был простым человеком»130. Это вовсе не пустое бахвальство. Резерфорд превосходно понимал возможности простого оборудования в деле проникновения в самые глубокие тайны природы.

И в самом деле, с точки зрения простоты, глубины и определенности, эксперименты Резерфорда принадлежат к числу самых красивых в истории науки. Его коллега, историк науки Джеймс Джеральд Кроутер, впоследствии отмечал способность простых идей, воплощенных в экспериментах Резерфорда, давать потрясающие по значимости результаты, хотя «можно было бы ожидать, что после трех столетий активного развития физической науки идеи в ее контексте, эволюционируя, должны были неизбежно усложняться и что все простое в ней уже давно должно было быть использовано и израсходовано»131.

По словам другого его коллеги, химика А. С. Расселла,

«оглядываясь назад, видишь красоту исследовательского метода и ту простоту, с которой была получена истина. Минимум суеты в сочетании с минимальным шансом ошибки. Одним легким движением руки Резерфорду удалось проделать почти немыслимое»132.

Резерфорд не проявлял особого интереса к искусству и музыке, разве что в хорошем расположении духа «любил распевать „Вперед, Христово воинство“ – не слишком складно, но с большим задором»133. Тем не менее его подход к проникновению в глубинные структуры Вселенной отличался всеми достоинствами, свойственными истинному художнику: неудержимой энергией, глубоким уважением к материалу, чрезвычайно развитым воображением. Более того, сам Резерфорд как-то заявил, что «процесс научного открытия может рассматриваться как разновидность искусства»134.

Но как в искусстве, так и в науке творческий процесс весьма извилист, отступление на исходные позиции – обычное явление, и художники порой осознают смысл своих исканий только по завершении работы. Классическим примером тут является шедевр Резерфорда – открытие ядра атома.

Резерфорд родился в Новой Зеландии и мальчишкой любил возиться с фотокамерами, часами и моделями водяных колес на мельнице отца. В 1895 году молодой одаренный ученый был удостоен особой стипендии и получил место в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, которую историк науки Джон Льюис Хейлброн назвал «колыбелью ядерной физики»135. Резерфорд прибыл туда в самом начале волнующей и сложной эпохи в истории физики: в 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи, в 1896-м француз Анри Беккерель открыл явление радиоактивности на примере урана, а в 1897 году их английский коллега Джозеф Джон Томсон, директор Кавендишской лаборатории, открыл электрон.

В напряженной атмосфере активного научного поиска Резерфорду быстро удалось обратить на себя внимание. В 1898 году он покинул «колыбель» и перешел в университет Макгилла в Монреале, где и работал до 1907 года. В ходе изучения явления радиоактивности он сделал неожиданное и очень важное открытие: уран излучает два разных вида радиации. Для демонстрации этого феномена Резерфорд разработал простой и предельно убедительный эксперимент: он покрывал образец урана слоями алюминиевой фольги и затем измерял количество проникавшей сквозь нее радиации. При одном и двух слоях уровень радиации снижался, при трех слоях падал значительно. Однако, как ни странно, четвертый и пятый слой уже не оказывали заметного воздействия, и радиация продолжала проникать сквозь фольгу. Для Резерфорда это стало основанием полагать, что уран излучает два вида радиации, один из которых значительно мощнее другого. Более слабый из них он назвал «альфа-лучами», а более сильный – «бета-лучами», по двум первым буквам греческого алфавита.

Так получилось, что именно альфа-лучи – их природа, поведение и возможности использования – определили суть дальнейшей научной деятельности Резерфорда. Студенты Резерфорда шутливо замечали, что их наставник «случайно создал альфа-частицы, умудрился подчинить их себе, и теперь они вместе творят чудеса». Альфа-частицы станут главным инструментом ученого в открытии внутренней структуры атома, хотя и это открытие тоже будет случайным.

Резерфорд очень скоро понял, что ни альфа-, ни бета-лучи не являются лучами в том же смысле слова, как, скажем, рентгеновские лучи. Они были, скорее, частицами электрически заряженной материи, которые атомы урана выбрасывали из себя по причинам, на тот момент неизвестным. Вскоре выяснилось, что отрицательно заряженные бета-лучи – это поток электронов. Природа же положительно заряженных альфа-лучей первоначально оставалась загадкой, но Резерфорд разрешил ее. Он обратил внимание на то, что масса альфа-частиц близка к массе атомов гелия, но были ли они и в самом деле атомами гелия?

Для проверки этой гипотезы исследователь разработал еще один простой эксперимент. Была изготовлена стеклянная трубка с тонкими, но прочными стенками – чтобы пропускать альфа-лучи и не разрушиться под атмосферным давлением. Трубку заполнили радоном, радиоактивным газом, испускающим альфа-лучи, и вставили ее в еще одну герметичную стеклянную трубку. Из пространства между трубками откачали весь воздух и создали в нем вакуум. Единственное, что могло туда проникнуть, – альфа-лучи, выходившие наружу сквозь стенки внутренней трубки. Резерфорд заметил, что в пространстве между трубками медленно собирался некий газ, причем со скоростью, прямо пропорциональной скорости, с которой альфа-частицы проходили сквозь стенку внутренней трубки. Проанализировав полученный газ, ученый обнаружил, что имеет дело с гелием. Альфа-лучи, или альфа-частицы, как их все чаще стали называть, были идентичны атомам гелия. «Этот эксперимент, – писал Марк Олифант, ученик Резерфорда, – вызвал огромный интерес по причине своей простоты, ясности и красоты»136.

Однако не на все вопросы были получены ответы. Каким образом положительно заряженные альфа-частицы превращались в гелий, который обычно электрически нейтрален? И что делали атомы гелия внутри атомов урана? Были ли они частицами, отколовшимися от атома, или чем-то еще? Как они соотносились с остальной частью атомного ядра?

Путь Резерфорда к ответу на эти вопросы оказался не прямым. Он начался с дружеской пикировки с Беккерелем – результаты некоторых экспериментов последнего противоречили выводам Резерфорда. Заметив расхождение в данных, оба ученых критично подошли к исследуемой проблеме, и выяснилось, что Резерфорд был прав. Однако дискуссия лишь раззадорила его любопытство. Почему так сложно было измерить характеристики альфа-частиц? Каким образом Беккерель, известный своей тщательностью и внимательностью при проведении экспериментов, мог ошибиться? Причина заключалась в способности альфа-частиц рикошетировать от молекул воздуха.

Эту особенность альфа-частиц Резерфорд продемонстрировал в обычном для него простом и непосредственном стиле. Вначале он направил пучок альфа-частиц на фотографическую пластину, находившуюся в вакууме, и в результате получил резко очерченное яркое пятно в месте столкновения. Затем направил такой же пучок на такую же пластину, но не в вакууме, а в воздухе. На сей раз пятно оказалось размазанным и туманным. Размазывание пятна, как писал Резерфорд в 1906 году, стало следствием «рассеивания лучей», отскакивавших от молекул воздуха. И хотя Резерфорд пока еще этого не знал, открытие рассеивания лучей станет ключевым шагом на пути к открытию атомного ядра.

Два года спустя Резерфорду присудили Нобелевскую премию – как ни странно, не по физике, а по химии – «за его исследования в области распада элементов и химии радиоактивных веществ». После вручения премии он язвительно заметил, что в ходе своих исследований он наблюдал много различных трансформаций, но самой быстрой из них была его собственная трансформация из физика в химика.

К тому времени Резерфорд уже вернулся в Англию, в Манчестерский университет. По мере того как росла заинтересованность ученого в точном измерении различных характеристик альфа-частиц, его все более раздражал феномен рассеяния, который мешал, к примеру, его попыткам измерить заряд альфа-частиц. Феномен рассеяния очень беспокоил и его коллег. Английский физик Уильям Генри Брегг прислал Резерфорду изображения следов «с резкими изгибами», оставленных альфа-частицами в камерах Вильсона. «Рассеяние – самый настоящий дьявол», – жаловался Резерфорд в письме еще одному своему коллеге.