Молодой петербуржец Иоффе, чья энергичная талант ливость вынуждала Рентгена прощать ему строптивость, ежедневно позволял себе в разговорах с учителем "бороться за электрон". И в конце концов - вместе с новой физикой! - одолел непреклонность старика. Это маленькое, но знаменательное событие произошло через десять лет после открытия томсоновских корпускул - в 1907 году, ничем особенно не замечательном в истории познания микромира.
В том году:
…Тридцатишестилетний Эрнест Резерфорд лишь обо сновывался в Манчестерском университете Виктории, согласившись возглавить тамошнюю лабораторию.
…Двадцатидвухлетний студент Копенгагенского университета Нильс Бор еще учился на четвертом курсе.
…Двадцатилетний Эрвин Шредингер слушал в университете Вены лекции на втором.
…Пятнадцатилетний Луи де Бройль посещал предпоследний класс гимназии в Париже.
…Шестилетний Вернер Гейзенберг в Мюнхене играл со сверстниками в крестики–нолики.
…Льва Ландау еще не было на свете.
У квантовой физики все было впереди.
3
С открытия электрона началось, наконец, конструиро вание атома: создание его правдоподобных моделей.
Впрочем, люди крылатой мысли пытались угадать атомную структуру задолго до появления в эксперименте "тел, меньших, чем атомы". Но они строили без строительного материала. И плоды их нетерпеливого воображения научной критике не подлежали. Защите - тоже. Не было критериев правдоподобия. Однако сила интуиции бывала порою поистине фантастической.
Вот дневниковая запись одного студента Страсбургского университета:
22 янв. 1887 г.
Каждый атом… представляет собою полную солнечную систему, то есть состоит из различных атомопланет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким–либо другим способом двигающихся характерно периодически.
Страсбургский студент, конечно, ничего не мог сказать о своих атомопланетах и центральной планете. Но тем не менее за двадцать четыре года до рождения экспериментально обоснованной планетарной модели Резерфорда он дал ее кратчайший графический набросок.
Это был юноша из Москвы - Петр Лебедев. Будущая знаменитость: первый экспериментатор, сумевший измерить такую малость, как давление света! Об его дневниковой записи 1887 года никто не знал в течение семидесяти с лишним лет, пока В. Н. Болховитинов не опубликовал ее в I томе "Путей в незнаемое" (1960). Так, сам Лебедев не знал, что за полвека до него атом рисовался солнечной микросистемой московскому профессору М. Павлову (чьи лекции радовали молодого Герцена). И Джонстону Стони - крестному отцу электрона - представлялся тот же образ. И шлиссельбуржцу Николаю Морозову - высокоученому провидцу–фантазеру - грезился этот же астрономический призрак. И трезво–солидному Жану Перрену тоже. И многим другим - до и после открытия электрона.
До и после… Но все равно каждому это видение являлось точно впервые в истории познания. Тут не было повторения пройденного - не было преемственности идей. Просто в разное время разных счастливчиков, одаренных конструктивной интуицией, посещал один и тот же вещий теоретический сон. Это выглядит антиисторично, а на самом деле легко объяснимо. Тут всякий раз поднимала голос непреходящая вера людей в единство природы. Она диктовала гадательную мысль, что малое и большое в мироздании - Солнечная система и атом - устроены, наверное, по единому принципу, В этом было совсем немного физики, но очень много натурфилисофии. А натурфилософия меняется несравненно медленнее, чем наука.
Те, кому образ солнечной микросистемы стал являться уже после открытия Томсона, обладали, разумеется, громадным преимуществом: обнаружились кандидаты на роль атомопланет. Почему бы электронам не играть эту роль? Или похожую роль… Так, японский теоретик Нагаока сконструировал в начале века атомную модель в виде Сатурна с электронными кольцами. Это выглядело нисколько не фантастичней солнечной модели.
Естественно, и сам Дж. Дж. Томсон, выведший электроны на историческую сцену, тоже начал придумывать атом. Начал без промедлений - уже в 1898 году. Но он не прельстился возвышенными астрономическими параллелями. Он отвел электронам совсем прозаическую роль "изюминок в тесте". (Говорят, это сравнение ему и принадлежало, а вовсе не последующим популяризаторам. И от его "атома–кекса" или "атома–пудинга", право же, веяло свойственной ему в те годы общительностью и легкостью.)
А что было тестом в томсоновском атоме, если отрицательно заряженные электроны являли собою изюминки? Тестом служило само атомное пространство - "сфера с однородной положительной электризацией", как объявил Томсон. Так обеспечивалась электрическая нейтральность всякого атома как целого. Этому физическому требованию обязана была удовлетворять любая модель·.
Но любая атомная модель обязана была удовлетворять и еще одному требованию: быть устойчивой - этим свойством со всей несомненностью обладали реальные атомы долговечного земного вещества. А томсоновский кекс не обладал.
Дело в том, что электроны–изюминки покоились в положительном тесте. Меж тем уже была доказана теорема, объяснявшая, что любая система неподвижных зарядов обречена на развал: силы электрического взаимодействия - притяжения или отталкивания - тотчас выводят заряды из состояния покоя.
Томсону пришлось озаботиться улучшением своей модели. И через шесть лет, в 1904 году, он позволил электронам вращаться внутри атома отдельными группками - кольцами. Однако желанного правдоподобия снова не получалось. Непоправимый порок гнездился в произвольной идее положительно заряженного пространства. Но это пока оставалось нераскрытым - неразоблаченным экспериментально.
Пока… До Резерфорда…
4
Он был учеником Дж. Дж. - первым заморским докторантом в кембриджском старинном Тринити–колледже. Когда в 1895 году двадцатичетырехлетний сын новозеландского фермера там появился, старожилы отнеслись к нему свысока. Но уже вскоре по Кембриджу распространилась фраза одного заслуженного физика:
- Мы заполучили дикого кролика из страны антиподов, и он роет глубоко!
Правда, слово "кролик" не очень подходило к ново зеландцу: высокий рост, атлетическое сложение, громадный голос. Зато эпитет "дикий" подходил как нельзя лучше: признавалась первозданная сила выходца из антиподов и слышался намек на его необузданный нрав. А рыл он действительно глубоко - столько глубоко, что первым дорылся до атомных глубин. Не сразу - пласт за пластом. Но чудом редкой проницательности он не задерживался в толщах пустой породы. Мало кто жил в науке так продуктивно.
Электрон был открыт на его глазах. И даже при его существенном участии, как засвидетельствовал другой ученик Томсона - Р. Стрэтт (Рэлей–младший). Но тогда же воображение новозеландца захватила иная - недавно возвещенная во Франции - физическая новость: радиоактивность!
То была еще совсем не изведанная земля. И это он, Резерфорд, распознал в непонятной радиации урана два вида заряженных лучей, окрестив их греческими буквами "альфа" и "бета". Он показал, что альфа–лучи - поток тяжелых частиц с удвоенным зарядом " + ", а бета–лучи - поток легких частиц с единичным зарядом "-"., И это он установил, что радиоактивность - самопроизвольный распад сложных атомов, идущий по статистическим законам случая. Вместе с еще более молодым Фредериком Содди, он, едва переваливший за тридцать, высказал и доказал ошеломляющее утверждение: в каждом акте радиоактивного распада сбывается сама собой вековечная мечта алхимиков - превращение одного химического элемента в другой.
К исходу первого десятилетия нашего века, пожалуй, никто не был так подготовлен к раскрытию структуры атома, как Резерфорд. И ничье воображение не было для этого так хорошо тренировано, как у него…
…Однажды на банкете в лондонском Королевском обществе известный астрофизик Артур Эддингтон глубокомысленно сказал, что электроны, быть может, всего только "умозрительная концепция", а реально они не существуют. Резерфорд встал, и, по словам очевидца, у него был вид рыцаря, готового вскричать: "Вы оскорбили даму моего сердца!" А вскричал он следующее:
- Электроны не существуют?! Ах, вот как! Отчего же я вижу их так ясно, как эту ложку перед собой?
(Помню, лет десять назад мне случилось пересказать этот исторический эпизод в одной ученой аудитории. Все весело рассмеялись, кроме молоденького доктора химических наук. "Чепуха! - с удивительной серьезностью возразил он. - Наш глаз не может увидеть шарик диаметром в 10 сантиметра!" И победительно поправил сползающие очки. Раздался насмешливый голос его соседа: "Старик, ты никогда еще не говорил ничего более разумного, но Резерфорда из тебя не получится!")
Альфа–частицы новозеландец называл "веселыми малышами". Кажется, он вообще питал глубоко личные симпатии - вполне человеческие - ко всем незримым обитателям микромира. Когда в 1932 году его ученик Джеймс Чэдвик открыл предсказанный им, Резерфордом, нейтрон и Нильс Бор обрадованно признал реальность этой новорожденной нейтральной частицы, сэр Эрнест ответным письмом сердечно поблагодарил датчанина - так, точно речь шла и впрямь о пополнении его, Резерфордова, семейства. А к альфа–частицам у него всегда сохранялось особое пристрастие. Они принесли ему решающе важные сведения об устройстве атомов. Как надежнейший тонко проникающий бур, они–то и помогли ему еще в молодости "рыть глубоко"…
Десять лет ушло на установление основных свойств и природы альфа–частиц.
…Масса - учетверенный атом водорода. Заряд - в два раза больший, чем у электрона, и притом положительный: +2. Скорость движения при вылете из радиоактивного атома 10 - 20 тысяч километров в секунду. Химические свойства - как у элемента гелия, сперва открытого в спектрах солнца и только потом на земле…
Десять лет работы! При нынешнем лабораторном инструментарии на выяснение всего этого понадобился бы один месяц, если не один день. Но тогда еще только–только рождались основы для конструирования сегодняшнего инструментария атомной физики. Вместе с идеями рождались ее методы. Среди них - фундаментальнейший: изучение рассеяния микрочастиц при их прохождении через вещество.
Началось это тогда, когда восемь лет работы с альфа–лучами были уже позади, - летом 1906 года в Канаде, где Резерфорд возглавлял физическую лабораторию Макгилльского университета. Непредвиденное и почти неприметное событие взбудоражило его мысль: узенький пучок альфа–частиц, пронизав тонкий слюдяной листок, чуть–чуть расширился. Вот и все, что случилось. Но отчего это случилось?
Фотопластинка зафиксировала отклонение доли частиц на два градуса от перпендикуляра. Возможно, иные отклонялись еще сильнее, да только почернение пластинки от их падения было, очевидно, нечувствительно слабым. 2° - сущий пустяк. Однако летели–то массивные микропули и притом с огромными скоростями! Что же могло сбить их с прямого пути? По–видимому, только электрическое воздействие встречных атомов, когда они, заряженные альфа–частицы, пронизывали тонкий листок слюды. Несложный расчет дал внушительный результат: тут проявлялось отклоняющее действие силового поля напряженностью в 100 000 вольт на сантиметр. Резерфорд тогда же написал:
"Такой результат ясно показывает, что атомы вещества должны быть средоточием очень интенсивных электрических полей".
Первый же - случайный! - опыт по рассеянию альфа–частиц выводил на дорогу, ведущую в глубь атома, Новозеландец безошибочно почуял это.
Веселые малыши заслуживали его любви.
5
А потом в Манчестере 1909 года - не прошло и трех лет! - произошло вот что:
"Он повернулся ко мне и сказал: - Посмотрите–ка, не сможете ли вы получить некий эффект прямого отражения альфа–частиц от металлической поверхности?
Не думаю, чтобы он ожидал чего–нибудь подобного, но это было одно из тех "предчувствий", когда появляется надежда, что, быть может, кое–что все–таки удастся наблюдать, и уж во всяком случае удастся прощупать разведкой ту территорию, что соседствует с "землей Тома Тиддлера"…"
Так через пятьдесят с лишним лет вспоминал проис шедшее ученик Резерфорда, его тезка, Эрнест Марсден. "Земля Тома Тиддлера" - английское иносказание, равносильное русскому "золотое дно". Конечно, с расстояния в полвека открывшееся тогда золотое дно было видно постаревшему Марсдену во всей своей бескрайности. Но в 1909 году даже самому Резерфорду это предчувствие казалось сверхнесбыточным. Прямое отражение альфа–частиц от тоненького листка металлической фольги означало возвращение их вспять - полет обратно к радиоактивному источнику! Позднее он не раз повторял, что не верил, будто это возможно:
"То было почти столь же неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15–дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас".
Резерфорд не преувеличивал абсурдности ожидаемого эффекта. Альфа–луч походил на острую стрелу, запущенную с чудовищной скоростью из лука. И ей–то предлагалось, вонзившись в бумажную мишень, повернуть от нее в обратном направлении - к еще пульсирующей тетиве!.. Отчего он заказал такой бессмысленный эксперимент совсем юному ученику? Марсдену тогда едва исполнилось двадцать лет, и он только помогал в работе многоопытному доктору из Германии Гансу Гейгеру (тому самому, что позднее прославился как изобретатель счетчика радиации).
Угадывается этическая осмотрительность Резерфорда. Поручить заведомую несуразицу мастеру было бестактно: еще пойдет гулять молва, порочащая его. А неудача подмастерья - другое дело: невелик спрос - не выйдет, так сразу все и забудется… Словом, в самом выборе Марсдена сквозила осознаваемая нелепость задуманного эксперимента.
Трезвость - логика - расчет - солидность… Куда все подевалось? Загадочно. Но, может быть, непреходящая готовность послать к чертям признанные нормы трезвой рассудительности и пуститься на риск - это и есть психологическая норма поведения, разрешенная великим работникам науки? (Конечно, загадка так не разгадывается, но хоть очерчиваются ее контуры.)
В общем, юный Марсден трудился не зря! И вскоре Гейгер начал ревностно помогать собственному помощнику: перед обоими замерцала вдали земля Тома Тиддлера. Буквально - замерцала. Чтобы следить за рассеянием альфа–частиц, они ставили под разными углами к металлическим мишеням экран из сернистого цинка: отклонившиеся в сторону частицы, падая на такой экран, вызывали на нем мерцание - короткие вспышки–сцинтилляции. По этим вспышкам альфа–частицы можно было считать в темноте зашторенной лаборатории.
Через двадцать семь лет, за год до смерти, Резерфорд с нисколько не постаревшим изумлением вспоминал один из весенних дней 1909 года:
"…Гейгер вошел ко мне и в страшном возбуждении сказал: - Нам удалось наблюдать альфа–частицы, возвращающиеся назад!"
В тот день - точно не зарегистрированный - стартовало создание первой научно обоснованной атомной модели. И одновременно стартовала сама ядерная физика.
Но должно было пройти еще около двух лет, прежде чем на исходе 1910–го или в начале 1911 года у Резерфорда появилось право поменяться ролями с Гейгером. Тоже через двадцать семь лет Гейгер в свой черед вспоминал другой памятный день:
"Однажды Резерфорд вошел в мою комнату, очевидно, в прекраснейшем расположении духа, и сказал: - Теперь я знаю, как выглядит атом!"
На что же понадобились почти два года, разделившие эти симметричные сцены?
6
Они понадобились не столько на повторение экспериментов, сколько на повторное взвешивание–перевешивание возможного истолкования состоявшегося чуда.
Правда, Гейгеру и Марсдену пришлось насчитать в темноте миллион сцинтилляций, чтобы статистически достоверно изучить "бессмыслицу", "несуразицу", "абсурд". То была подвижническая работа. Между прочим, Эйнштейн, по свидетельству Отто Фриша, удивлялся продуктивности альфа–бомбардировок, сравнивая их "со стрельбой по воробьям в полной темноте".
Наш известный физико–химик Николай Шилов, посетивший в 10–х годах Манчестер, написал тогда про альфа–частицы поэтические строки: они "заставляют экран из сернистого цинка блестеть, как перо жар–птицы, ярким голубым сиянием неописуемой красоты". Это он наблюдал альфа–лучи, прямо падавшие на экран от источника, без рассеяния в металлических мишенях.
А частицы, возвращавшиеся назад, - другими словами, рассеянные на углы чуть ли не в 180°, - были редкостью: всего одна на 8000 альфа–частиц переживала эту судьбу! И одиночные голубые вспышки от их падения всегда возникали внезапно - через непредсказуемые интервалы. Следовало постоянно быть настороже. Нетерпеливый Резерфорд для такой работы не годился, да и вечно возбужденные его глаза уставали слишком быстро: "Я проклинал все на свете и отступал через две минуты…".
Зато ни на минуту не отступал он от другого - от поисков ответа на вопрос: что же происходит, когда "15–дюймовый альфа–снаряд" поворачивает вспять от мишени? Время пожирала вот эта неустанная работа мысли. И, между прочим, напрасно Резерфордов ученик более поздней поры - 30–х годов - Норман Фезер уверял в своей биографии учителя, что в 10–х годах случился в Манчестере "пустой год". Это все равно что счесть "пустым" время прорастания зерна в земле.
Любопытно, что сам же Фезер отметил: "Резерфорд был поставлен в тупик". Так ведь из тупика есть только два выхода: или уйти назад восвояси, или проламываться вперед. Резерфорд был из тех немногих, что предпочитают проламываться. Еще больше это походило на постепенный снос высокой стены - камень за камнем.
Альфа–частицы в большинстве своем легко пронизывали мишени. Им не удавалось бы это так просто, будь атомы сплошными шариками вещества, накатанными, как в модели Томсона, из положительно заряженного теста. Явно ближе к истине была идея сквозного атома. К слову сказать, еще в 1904 году об этой идее, возникшей тогда на других основаниях, писал Резерфорду его будущий друг австралиец Вильям Брэгг–старший.
В сквозном атоме отрицательные электроны и пока неизвестные носители положительного заряда должны быть разведены друг от друга далеко в стороны. Ну, скажем, как планеты и Солнце: легче легкого пролететь сквозь Солнечную систему, "ничего не задев" по дороге… Ничего? А связывающие все тела силовые поля тяготения? Их, разумеется, не миновать - они заполняют пустоту. И при этом - работают, определяя движение небесных тел с их огромными массами… Но в микромире массы так ничтожны, что гравитационные поля неощутимы. Там все дело в силах электрических. Примерно оценив их еще тогда, когда обнаружилось отклонение альфа–луча на 2°, Резерфорд теперь обдумывал конструкцию атома, способного отклонить альфа–частицу на 180° или - иначе - отшвырнуть ее назад. "Внутри атома должны действовать ужасающие силы…" - порою повторял он ненароком, выдавая ближним скрытую работу своей мысли.