Матвей Бронштейн - Занимательная квантовая физика

И все же эта смелая попытка удалась. Физики действительно смогли увидеть невидимое. Первый, кому это удалось, был сэр Уильям Крукс. Для того чтобы совершить это чудо, он совсем не строил грандиозных и сложных приборов, при виде которых всякий неученый человек начинает чувствовать себя нехорошо, — он соорудил совсем крохотный и пустяковый приборчик стоимостью рубля в полтора. И с помощью этого приборчика он смог увидеть отдельные атомы.

Прибор Крукса — так называемый спинтарископ — имеет следующее устройство. Он состоит из небольшой трубки, напоминающей по виду и по размерам трубку от маленького театрального бинокля. Один конец трубки закрыт экраном, который покрыт (с внутренней стороны) сернистым цинком. С другого конца в трубку вставлено увеличительное стекло, с помощью которого можно рассматривать этот покрытый сернистым цинком экран. Внутри трубки укреплена иголка, конец которой расположен на оси трубки между увеличительным стеклом и экраном. На этом конце иголки имеется ничтожное количество радия, причем — и в этом состоит наиболее эффектная особенность прибора Крукса — чем меньше радия, тем лучше.

Спинтарископ Крукса: схематический чертеж (А — иголочка, В — флюоресцирующий слой, С — лупа)

Для того чтобы насадить на конец иголки нужное количество радия, поступают так: этим концом иголки слегка дотрагиваются до внутренней стенки пробирки, в которой когда-то был препарат радия. Вот и все. Неудивительно, что прибор Крукса так дешево стоит, хотя в нем имеется радий — самое дорогое вещество в мире.

Прибор готов. Как же увидеть с помощью этого прибора отдельные атомы? Для этого нужно с ним пойти в темную комнату и подождать некоторое время, пока глаза отдохнут и хорошенько привыкнут к темноте. Потом нужно посмотреть в увеличительное стекло прибора.

Странное зрелище тогда предстанет перед нашими глазами. На поверхности экрана вспыхивают и гаснут маленькие неяркие звездочки. Они загораются то тут, то там, и весь экран так и кишит ими. Его поверхность была бы похожа на звездное небо, видимое в телескоп, если бы вся картина не менялась так быстро, как в калейдоскопе. Разорванные вспышки, усеивающие экран, гаснут так же внезапно, как появляются, и все, что мы видим, производит впечатление беспрестанной бомбардировки экрана микроскопическими зажигательными снарядиками, вызывающими вспышку в той точке экрана, в которую они попадают. И это впечатление совершенно правильно — то, что мы видим, это и есть бомбардировка, ведь на кончике иглы находится крохотный, почти невесомый и совершенно невидимый кусочек радия, из которого все время вырывается поток микроскопических снарядов — альфа-частиц. Если бы радия было больше, то весь экран светился бы равномерно и ярко: отдельные вспышки сливались бы в одно сплошное свечение экрана. Но так как радия очень мало, то вспышки видны раздельно: мы видим кратковременный светящийся след, который оставляет на поверхности экрана отдельная альфа-частица, один атом гелия, перелетевший от кончика иглы к экрану с огромной скоростью в несколько десятков тысяч километров в секунду, чтобы рассказать о смерти одного атома радия. Всяким наблюдателем, впервые смотрящим в спинтарископ и понимающим, в чем состоит смысл открывающегося перед ним зрелища, поневоле овладевает странное и жуткое чувство, похожее на то, которое овладевает нами, когда мы смотрим в телескоп на особенно богатые звездами участки Млечного Пути. И в том, и в другом случае мы видим перед собой бездну, — в одном случае бездну бесконечно малого, в другом — бездну бесконечно большого, — и, глядя в обе эти бездны, одинаково далекие от нас и одинаково безразличные к нам, мы начинаем понимать смысл странных слов Паскаля о том, что «человек подвешен между двумя бесконечностями».

Гениальное изобретение Крукса, сделанное им в том же 1903 году, в котором Резерфорд и Содди впервые выдвинули свою гипотезу о превращении химических элементов, знаменует, как и эта гипотеза, начало совершенно новой эпохи в физике. Не странно ли, что атомы стали видимой, ощутимой реальностью как раз в то время, когда было уничтожено представление о неразрушимости и непревращаемости атомов? Физики так долго и так тщетно стремились доказать, что атомы действительно существуют, и вот наконец эта цель достигнута: спинтарископ Крукса позволяет видеть действия отдельных атомов — заряженных атомов гелия. Но в то же самое время, когда таким образом реальность атомов доказана совершенно неоспоримо, становится ясным, что атомы совсем не те вечные, бессмертные, неразрушимые частицы, какими их представлял себе Джон Дальтон: атомы рождаются, живут и умирают, с атомами происходят чудесные превращения, ослепительные взрывы, они разлетаются на части, и возникающие при этом осколки — это новые атомы. Похоже на то, что средневековые алхимики, стремившиеся превращать одни химические элементы в другие и так осмеянные за это впоследствии, в конце концов оказались правы. Но не будем преувеличивать их правоту. Вспомним, как все ухищрения лабораторной техники оказались бессильными повлиять на быстроту распада радия, вспомним, какими равнодушными, неприступными и забронированными от всех внешних воздействий оказались атомы этого чудесного вещества.

Все это показывает, что радиоактивность принадлежит совершенно особому миру явлений, с которым физики никогда не встречались раньше, — иными словами, что в радиоактивных явлениях действуют совершенно огромные, чудовищные силы, несравнимые со всем, что было известно физике прежде, и, значит, такие же огромные чудовищные силы требуются для того, чтобы управлять радиоактивными явлениями и изменять их естественное течение. Значит, Джон Дальтон был в каком-то смысле прав, хотя правота его и не была абсолютной, а относилась только к некоторому ограниченному кругу явлений: в пределах этого круга явлений атомы действительно неразрушимы и бессмертны, и требуется далеко перейти за пределы этого круга и привести в действие силы совершенно иного порядка («тонкий и сильный агент» Роберта Бойля) для того, чтобы вызвать превращение одних химических элементов в другие. В обыкновенных явлениях, изучаемых в химической лаборатории, атомы действительно никогда не превращаются друг в друга, и ошибка средневековых алхимиков и заключалась в том, что они пытались вызвать это превращение, не располагая «тонким и сильным агентом», а пользуясь лишь обыкновенными силами, которые развиваются при химических реакциях. В тех случаях, когда они утверждали, что им действительно удалось получить золото из других металлов, все это объяснялось или сознательным надувательством, или экспериментальной ошибкой (например, золото извлекалось из какого-либо химического соединения, содержащего золото, путем замещения золота другим металлом, а неискушенному экспериментатору казалось, что он превращает этот металл в золото).