Коллайдер: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Эрнест Резерфорд (1871-1937), отец ядерной физики.

Ловкие руки Резерфорда творили чудеса с любым механическим прибором. Юношеские увлечения экспериментатора хорошо подготовили его к тонким манипуляциям с атомами и атомными ядрами. Со сноровкой, достойной хирурга, он разбирал часы, создавал действующие модели водяных мельниц и даже смастерил любительскую камеру, чтобы делать снимки. В Кентербери, узнав об электромагнитных явлениях, открытых в Европе, он загорелся целью соорудить собственную установку. Следуя Герцу, он собрал радиопередатчик и приемник, предвосхитившие изобретение беспроводного телеграфа Маркони[12]. Резерфорд продемонстрировал, что радиоволны могут распространяться на большие расстояния, проходить сквозь стены и намагничивать железо. Его оригинальные опыты дали ему возможность претендовать на место в английском Кембридже.

Так совпало, что в год, когда Резерфорд появился на свет, в Кембридже была организована новая физическая лаборатория, первым директором которой стал Максвелл. Кавендишская лаборатория, названная. так в честь блестящего физика Генри Кавендиша[13](он, кстати, кроме прочего, первым выделил водород как химический элемент), превратилась в мировой центр атомной физики. Она расположилась на улочке Фри-Скул-Лейн, недалеко от центра прославленного университетского городка. Сам Максвелл руководил постройкой и подбирал оборудование для первой в мире физической исследовательской лаборатории. После смерти Максвелла в 1879 г. кресло директора занял другой известный физик, лорд Рэлей. А в 1884 г. бразды правления взял в свои руки неподражаемый Дж. Дж. (Джозеф Джон) Томсон.

Этот энергичный и разносторонний человек с длинными темными волосами, пышными усами и очками в тонкой металлической оправе стал одним из движителей революции в научном образовании, открывавшей перед студентами огромные возможности для исследований. Раньше экспериментальная работа для изучающих физику шла разве что в качестве десерта в конце долгого банкета, где подавались математические дисциплины. Впрочем, даже этим угощением преподаватели делились довольно неохотно. После того как студент сдавал все экзамены по механике, тепловым явлениям, оптике и другим теоретическим предметам, ему иногда ненадолго давали прикоснуться к каким-нибудь приборам. В Кавендише с его оборудованием самой высокой пробы эти короткие дегустации превратились в полноценный обед. Томсон с восторгом приветствовал новую систему, позволявшую студенту другого университета приехать в Кембридж и проводить исследования под руководством местного ученого. По их итогам приглашенный писал диссертацию и получал более высокую степень. Сегодня мы воспринимаем обладателей степени доктора философии[14] как нечто само собой разумеющееся, ведь именно они пополняют академическую среду. Но в конце XIX в. такая система была новаторской, и переворот в физике не заставил себя долго ждать.

Нововведения заработали в полную силу в 1895 г., а среди первых приглашенных студентов оказался Резерфорд. Он получил «стипендию 1851 г.», присуждаемую молодым талантливым выходцам из стран Британского доминиона (ныне страны Содружества). Сменив провинциальную Новую Зеландию на университетский Кембридж, Резерфорд поработал на пользу не только собственной карьере, но и всей атомной физике.

Существует легенда о том, как Резерфорд принял этот подарок судьбы. Говорят, его мать получила телеграмму с добрыми вестями и пошла на поле, где он копал картошку. Когда она прочитала сыну, какой чести он удостоился, тот сначала не поверил своим ушам, но, едва осознав свое счастье, отбросил лопату и воскликнул: «Сегодня я копал картошку в последний раз!».¹²

Захватив свой самодельный радиоприемник, Резерфорд отплыл в Лондон. Там он не замедлил поскользнуться на банановой кожуре и повредил себе колено, но, к счастью, весь последующий путь через лабиринты погруженного в туман города прошел без запинки. По мере того как он продвигался на север, туманы уступили место свежему воздуху, а город сменили английские ландшафты и священные очертания всевозможных колледжей на реке Кэм. Здесь Резерфорд разместился в колледже Св. Троицы. Великие врата колледжа, основанного в 1546 г. королем Генрихом VIII, и легенды о славных деяниях Ньютона до сих пор довлеют над благоговейно ступающими студентами, когда те входят сюда. (Кембриджский университет разбит на множество колледжей, где студенты учатся и живут, а колледж Св. Троицы самый крупный из них.) Выйдя из колледжа Св. Троицы и насладившись короткой прогулкой, почти тут же попадаешь в Кавендишскую лабораторию.

Резерфорд был не единственным из того потока студентов, который хлынул со всего мира в научно-исследовательские лаборатории Кембриджа. Томсон лелеял царивший здесь дух единства непохожих и каждый день после обеда приглашал к себе молодых сотрудников на чай. Позже он вспоминал: «Мы беседовали обо всем на свете, но не о физике. Я не поощрял разговоры о физике, поскольку мы встречались, чтобы отдохнуть… и поскольку научиться говорить на своем птичьем языке очень легко, но отвыкнуть от этого непросто. А если от этого не отвыкнуть, то способность поддерживать разговор на общие темы атрофируется за ненадобностью»¹³.

Несмотря на попытки Томсона подбодрить молодых исследователей, нагрузки в Кембридже, видимо, давали о себе знать. «Когда я возвращаюсь из лаборатории, я не нахожу себе места и обычно пребываю в довольно нервном состоянии», - записал однажды Резерфорд. Чтобы немного расслабиться, он начал курить трубку, сохранив эту привычку до конца жизни. «Иногда я затягивался, - продолжает Резерфорд, - и мне удавалось немного сосредоточиться… Любому человеку науки стоит курить трубку, иначе где набраться терпения? У ученых оно должно быть, как у десятерых иовов вместе взятых»¹⁴.

Масла в огонь подливали и местные студенты, относившиеся к приезжему люду как к чужакам. Однокурсники Резерфорда из золотой молодежи, дразнившие его деревенщиной из Антиподии, мало способствовали поднятию духа. Об одном таком задире Резерфорд сказал: «Есть один лаборант, на груди которого я не против, как истинный маори, исполнить танец войны»¹⁵.

Томсон был педантичным экспериментатором и одно время увлеченно исследовал свойства электричества. Собрав оригинальную установку, он изучал совместное влияние электрического и магнитного полей на так называемые катодные лучи - отрицательно заряженные пучки электричества, идущие от отрицательно к положительно заряженному электроду (контакту, подсоединенному к соответствующему полюсу батареи). Отрицательно заряженный электрод порождает катодные лучи, а положительно заряженный их притягивает.

В электрическом и магнитном полях заряды ведут себя по-разному. Сила, с которой электрическое поле действует на отрицательный заряд, направлена противоположно направлению поля. Что касается магнитного поля, в нем сила действует под прямым углом к полю. Кроме того, в отличие от электрической силы, магнитная зависит от скорости заряда. Томсон придумал, как скомпенсировать электрическое и магнитное поля так, чтобы определить эту скорость. А благодаря ей он мог определить отношение заряда лучей к их массе. Положив заряд частиц в лучах равным заряду ионизованного водорода, Томсон обнаружил, что их масса в несколько тысяч раз меньше, чем у водорода. Проще говоря, катодные лучи состоят из элементарных частиц, которые гораздо легче атомов. Меняя условия и раз за разом повторяя эксперимент, Томсон все время получал один и тот же результат. Эти отрицательно заряженные частицы он назвал корпускулами, но им потом дали другое имя: с тех пор так и повелось - электроны. Они первыми приоткрыли маленькое окошко в богатый мир атома.

Сногсшибательное открытие Томсона научная общественность поначалу встретила скептически. «Первое время мало кто верил, что есть такие объекты - меньше атома, - вспоминал он. - Уже много лет спустя мне даже один выдающийся физик, присутствоваший на моей лекции на заседании Королевского общества, сказал, будто он был в полной уверенности, что я “морочу всем голову”. Меня его слова не удивили. Я сам противился этому объяснению, и только когда эксперименты мне не оставили иного выбора, я публично заявил о существовании тел, меньших чем атомы»¹⁶.

Между тем на другом берегу Ла-Манша открытие радиоактивного распада подвергло сомнению господствовавшие представления о неделимости атома. В 1896 г. парижский физик Анри Беккерель посыпал урановыми солями обернутую черной бумагой фотопластинку и был немало удивлен, когда увидел, что со временем пластинка темнеет, а значит, от солей идут какие-то загадочные лучи. В отличие от рентгеновских, они у Беккереля появлялись сами по себе без всяких электрических приборов. Ученый обнаружил, что излучение шло от любых урансодержащих соединений. Причем чем больше в соединении было урана, тем больше оно излучало. Логично было предположить, что это излучают сами атомы урана.

Работавшая в Париже Мария Склодовская-Кюри - физик польского происхождения - повторила опыты Беккереля, а также вместе со своим мужем Пьером нашла загадочное излучение у двух открытых ими элементов: радия и полония. Последние излучали даже интенсивней, чем уран, а количество их со временем уменьшалось. Марии принадлежит термин «радиоактивность», которым она обозначила явление самопроизвольного распада атомов, высвобождающих при этом особое излучение. За свое эпохальное открытие недолговечности атомов в радиоактивных процессах Беккерель и супруги Кюри удостоились в 1903 г. Нобелевской премии. Вневременные элементы Дальтона, безраздельно властвовавшие в науке в течение века, пришли в движение.

Резерфорд следил за этими событиями с большим интересом. Пока его учитель Томсон был занят открытием электрона, Резерфорд обратил свое пристальное внимание на то, что радиоактивными материалами можно ионизовать газы. Почему-то лучи, шедшие от урана и остальных радиоактивных соединений, выводили газ из состояния электрической инертности и превращали его в электрически активный проводник. Радиоактивное излучение вело себя как две палочки, которые натирают друг об друга, чтобы получить искру.

Но самое главное, радиоактивность высекла искру интереса в Резерфорде и заставила его заняться методичным исследованием ее свойств, которому было суждено перевернуть наши представления о физике. А новичку, начинавшему со сборки радиоприемников и других электромагнитных приборов, предстояло, набравшись опыта, превратиться в экспериментатора высочайшего класса, способного с помощью радиоактивного излучения совершить путешествие в мир атома. Зная, что магнитное поле отклоняет разноименные заряды в разные стороны, Резерфорд понял, что в радиоактивных лучах есть положительная и отрицательная компоненты. Им он дал имена, соответственно, альфа и бета-излучение. (Бета-частицы оказались просто-напросто электронами, а в скором времени резерфордовскую классификацию продолжил Виллар, открывший третью, электрически нейтральную компоненту - гамма-лучи.) В магнитном поле альфа-частицы закручиваются в одну сторону, а бета - в другую, как лошади, бегущие по цирковой арене в разные стороны. Резерфорд смотрел, насколько сильно каждый тип излучения задерживается препятствием, и доказал, что бета-лучи проникают глубже, чем альфа. Следовательно, альфа-частицы по размерам больше бета-частиц.

В 1898 г. в разгар своих исследований радиоактивности Резерфорд решил взять передышку, чтобы уладить дела сердечные. Он ненадолго уехал в Новую Зеландию, где женился на своей школьной возлюбленной Мэри Ньютон. Однако в Англию они не вернулись. У женатого мужчины должен быть хороший доход, заключил Резерфорд и согласился на место профессора в университете Макгилла в Монреале, Канада, с жалованием в 500 фунтов стерлингов в год - приличные деньги по тем временам, около 50 000 долларов в сегодняшнем эквиваленте. Счастливая пара отплыла в холодный край, где ученый вскоре продолжил свои исследования.

В Макгилле Резерфорд пуще прежнего стремился сорвать с альфа-частиц маску и рассмотреть их истинное лицо. Повторив опыты Томсона по определению отношения заряда к массе с альфа-лучами вместо электронов, он вдруг увидел, что заряд у альфа-частиц такой же, как у ионов гелия. Закрадывалось подозрение, что самый тяжелый продукт радиоактивного распада - это на самом деле путешествующий инкогнито гелий.

Как раз тогда, когда Резерфорду не помешала бы помощь в разгадке атомных тайн, в городе появился еще один следопыт. В 1900 г. Фредерик Содди (1877-1956), химик из английского Суссекса, получил в университете Макгилла место. Узнав про эксперименты Резерфорда, он захотел внести свою лепту, и они вместе принялись изучать явление радиоактивности. Они выдвинули гипотезу, что радиоактивные атомы, такие как уран, радий и торий, распадаются на более простые атомы других химических элементов, высвобождая при этом альфа-частицы. Увлекавшийся историей Средневековья Содди догадался, что радиоактивные превращения являются в некотором смысле воплощением заветной мечты алхимиков, пытавшихся получить из неблагородных металлов золото.

В 1903 г., вскоре после того, как Резерфорд опубликовал их совместную теорию радиоактивных превращений, Содди решил объединить свои усилия с Уильямом Рамзаем из Университетского колледжа в Лондоне, признанным экспертом по гелию и инертным газам вообще (неону и остальным). Рамзай с Содди поставили серию тщательных экспериментов, в которых альфа-частицы от радиоактивного радия накапливались в специальной стеклянной трубке. Затем у полученного достаточно плотного газа ученые исследовали спектральные линии, оказавшиеся в точности такими же, как и у гелия. Спектральные линии - это узкие полоски в окрестности определенных частот (в видимой части спектра это определенные цвета). Каждый элемент, излучая или поглощая свет, дает свой набор линий. В спектре излучения гелия всегда видны некоторые фиолетовые, желтые, зеленые, сине-зеленые и красные линии, а также две характерные голубоватые полоски. Эти «отпечатки пальцев» послужили в опытах Рамзая и Содди неопровержимым доказательством того, что альфа-частицы и ионизованный гелий - одно лицо.

Содди принадлежит и термин «изотоп», которым он описывал разновидности одного и того же химического элемента, обладавшие разными атомными весами. Например, дейтерий, или «тяжелый» водород, химически никак не отличается от обычного, но зато атомный вес у него приблизительно в два раза больше. Радиоактивный изотоп водорода тритий вообще где-то в три раза тяжелее обычного водорода. В распаде он дает гелий-3, легкий изотоп привычного нам гелия. Содди вывел, как он сам его назвал, закон радиоактивного смещения: в результате альфа-распада элемент в таблице Менделеева перемещается на две клетки назад, словно ему в настольной игре выпал неудачный ход. Бета-распад, наоборот, дает право на один ход вперед, и получается один из изотопов элемента, сидящего в следующей клетке. Живой пример - распад трития, который, переходя в гелий-3, прыгает на клетку дальше.

Представим, что вы случайно набрели на непонятный автомат с шариками и содержимого его не видите. Иногда из него выскакивают синие шарики, и автомат при этом мигает один раз, а иногда - красные, чье появление сопровождает двумя вспышками. Как отсюда понять, что происходит внутри? Наверное, можно предположить, что в автомате однородная смесь красных и синих шариков, разбросанных тут и там, как изюм в пудинге.

К 1904 г. физикам была известно, что в радиоактивных процессах атомы переходят друг в друга, испуская частицы с различными зарядами и массами, но ни у кого не было представления об общей картине. Томсон рискнул выдвинуть идею, что положительные и отрицательные заряды равномерно перемешаны, причем вторые, раз они легче, обладают большей свободой перемещения. Когда экспериментаторы отведают этого пудинга, надеялся он, они убедятся, насколько он хорош. Но, увы, первый пудинг вышел комом. И судьба так распорядилась, что этот вердикт вынес новозеландский любимец Томсона.

Следующий период в жизни Резерфорда был, пожалуй, самым плодотворным. В 1907 г. Манчестерский университет - по этим североанглийским местам когда-то пролегал научный путь Дальтона - предложил ученому возглавить кафедру физики. То, что приобрел Манчестер, стало утратой для Макгилла. К тому времени Резерфорд «оседлал удачу», как он сам не без хвастовства заметил своему биографу (и ученику) Артуру Иву¹⁷, и был в науке уже заметной величиной. Как заправский рулевой, он твердой рукой вел свое судно: брал на работу лучших молодых исследователей, ставил им интересные задачи и увольнял тех, кто не оправдывал ожиданий. Громогласный, бывало, вспыльчивый и порой клянущий приборы на чем свет стоит, профессор с неизменной трубкой и усами и правда наводил страх на подчиненных. Но вспышки гнева быстро проходили, из-за иссякших туч показывалось яркое солнце, и тогда не было на свете никого дружелюбнее, добродушнее и благосклоннее Резерфорда.

В то время с ним сблизился манчестерский биохимик и будущий первый президент Израиля Хаим Вейцман. По его описанию, Резерфорд был «живым, энергичным и шумным. Ему было дело до всего, не только до науки. Он охотно и с напором обсуждал все на свете, даже если не имел о чем-то ни малейшего представления. Спускаясь в столовую к обеду, я уже слышал в коридоре раскаты его дружелюбного голоса… Он был добродушным, но дураков терпеть не мог»¹⁸.

Вейцман вспоминал, сравнивая Резерфорда с Эйнштейном, которого он тоже хорошо знал: «Как ученые эти два человека были противоположностью друг друга: у Эйнштейна сплошные вычисления, у Резерфорда сплошной эксперимент. Но и в жизни они были мало похожи. Эйнштейн казался недосягаем, а Резерфорд выглядел здоровенным и шумным новозеландцем, которым, впрочем, и являлся. На поприще эксперимента Резерфорд, конечно же, был гением, одним из лучших. Он обладал особым чутьем, и к чему бы он ни прикасался, все обращалось в золото»¹⁹.

В Манчестере Резерфорд строил честолюбивые планы: расколоть атом альфа-частицами и посмотреть, что внутри. Он догадался, что сравнительно крупные альфа-частицы - идеальный прибор для исследования глубинной структуры атома. Прежде всего он хотел испытать на прочность пудинговую модель Томсона и понять, правда ли, что атом - это пирог из внушительных положительно заряженных кусков и маленьких отрицательных зарядов. Настроенный на победу, Резерфорд сумел увести из-под носа конкурентов два ценных приза: столь желанный запас радия (они сражались за него с Рамзаем) и светлую голову немецкого физика Ханса Гейгера, который раньше работал под началом бывшего главы кафедры. Резерфорд поставил перед Гейгером задачу разработать надежный способ регистрации альфа-частиц.

Предложенный Гейгером метод - подсчет искр, проскакивающих между электродами металлической трубки, когда альфа-частицы, ионизуя запаянный внутри газ, превращают его в проводник, - лег в основу знаменитого счетчика, названного в честь автора изобретения счетчиком Гейгера. Этот счетчик работает благодаря тому факту, что электрические токи циркулируют по замкнутым контурам. Каждый раз, когда образец испускает альфа-частицу, цепь, идущая через электроды и проводящий газ, замыкается, и слышится отчетливый щелчок. Несмотря на полезную находку Гейгера, Резерфорд обычно применял другой способ регистрации. Он брал экран, покрытый сульфидом цинка, материалом, в котором бомбардирующие альфа-частицы вызывают крошечные вспышки света, сцинтилляции.

В 1908 г. Резерфорд прервал исследования, чтобы съездить за Нобелевской премией по химии, присужденной ему за изучение альфа-частиц. Но лаборатория пустовала недолго. Вооружившись надежными методами детектирования, он перешел к новым экспериментам, в которых также принимали участие Гейгер и талантливый, хоть и не закончивший еще университет Эрнест Марсден.

[12] и Поповым - Примеч. пер.

[13] Согласно официальному сайту Кембриджского университета (www.phy.cam.ac.uk/histoiy/old.php), лаборатория получила свое название в честь своего основателя Вильяма Кавендиша, приходившегося Генри Кавендишу дальним родственником. - Примеч. пер.

[14] Доктор философии (Doctor of Philosophy, сокр. Ph.D.) - в определенном смысле заграничный аналог российской степени кандидата наук. - Примеч. пер.