Даниил Данин - Резерфорд

Резерфорд был ежеутренним слугой оптимизма у себя и своих мальчиков.

Гансу Гейгеру следовало добавить фразу: «И мы, молодые люди, быстро почувствовали, что становимся иными, чем были прежде».

Итак, решалась проблема № 21. До самой весны 1908 года Резерфорд и Гейгер боролись с экспериментальными трудностями, «которых сегодня нельзя даже понять». Зато, когда летом дело дошло, наконец, до арифметических процедур, они смогли уверенно заявить: величина заряда альфа-частицы равна 9,3·10 -10электростатических единиц.

9,3… — это было интересное число. Ожидавшееся и неожиданное. Ожидавшееся — потому что оно подтверждало гелиевую гипотезу: да, альфа-частицы — это ионы с удвоенным водородным зарядом — 2e. И неожиданное — потому что оно заставляло признать слишком малыми все предшествовавшие оценки самой величины «e».

Таких оценок существовало уже довольно много, ибо речь шла о значении фундаментальной физической константы нашего мира — о величине элементарного электрического заряда! Как скорость света «c» или постоянную Планка «h», ее нужно было знать со всею доступной точностью. (Надо ли напоминать, что «e» у иона водорода по абсолютному значению то же, что у электрона, но только у водородного иона «+e», а у электрона «-е».) С того самого времени, когда электрон был достоверно открыт в Кавендишевской лаборатории, разные исследователи на разные лады многократно измеряли эту величину. Все получали для «e» десятимиллиардные доли электростатической единицы заряда (10 -10), однако число таких долей у всех было разным:

у Таунсенда — 3,0·10 -10(1898 и 1904);

у Дж. Дж. Томсона — 3,4… (1903);

у Г. Вильсона — 3,1… (1903);

у Р. Милликена — 4,06… (февраль 1908);

у Б. Болтвуда — 4,1… (июль 1908).

Ни одно из этих чисел не могло обрадовать Резерфорда и Гейгера. Сравнивая с ними свое 9,3 для альфа-частицы, что они должны были подумать?

Неужели правы были Таунсенд, Томсон, Вильсон и «e» равно примерно 3,0·10 -10? Тогда число 9,3 показывает, что альфа-частица несет не два, а три элементарных заряда. Но если у альфа-частицы утроенный водородный заряд (3e), то она обладает ушестеренной водородной массой (6m). Этого требует надежно установленное отношение заряда к массе для альфа-частицы. И стало быть, она вовсе не ион гелия, чей атомный вес равен 4m. А если так, то и энергия ее движения в полтора раза больше предполагавшейся. И следовательно, прежние расчеты теплового эффекта радия становятся несостоятельными. Словом, хорошего мало…

Числа Милликена и Болтвуда были утешительней. Все-таки «e» у них равнялось примерно 4,0·10 -10, и вариант тройной заряженности альфа-частицы отпадал сразу: 3·4=12 — неправдоподобно много по сравнению с найденным числом 9,3. Но до благополучия и тут было далеко: двойная заряженность должна была бы, по Милликену, выразиться цифрами 8,12, а по Болтвуду — 8,2. Расхождение с величиной 9,3 снова оказывалось слишком грубым. Правда, не настолько, чтобы усомниться в гелиевой гипотезе, но достаточно грубым, чтобы не считать ее корректно подтвержденной.

Конечно, у Резерфорда и Гейгера был простейший выход: взглянуть друг на друга с досадой и признать, что электрический метод счета альфа-частиц ввел их в обман. Но они слишком заботливо вынашивали свое детище, чтобы осудить его так легко. Само число 9,3·10 -10появилось в их расчетах после того, как они критически взвесили вероятные ошибки измерений. Оно заслуживало доверия.

Оно, безусловно, заслуживало доверия. И потому оставался еще один выход: объявить не заслуживающими доверия все предшествовавшие оценки «e». Резерфорд и Гейгер подвергли анализу условия экспериментов, в которых эти оценки были получены, и установили: ошибки опытов у их предшественников могли достигать 15–30 процентов, если не больше! Это спасало положение. Это позволяло не сравнивать 9,3 с чужими данными для «e», а напротив — дать свою собственную оценку величины элементарного заряда. Так, решая уравненьице 2e = 9,3…, они проделали последнюю арифметическую процедуру и провозгласили:

Может быть, все это не заслуживало бы такого подробного рассказа, если б не одно знаменательное обстоятельство.

Резерфорд сообщил этот результат Иву в частном письме еще до того, как уселся с Гейгером за отчетную статью для «Трудов Королевского общества». Ив без колебаний послал своему недавнему шефу протестующий ответ. Он отказывался признать достоверной оценку, превышавшую общепринятую — томсоновскую — на 36 процентов! «…Этот результат должен оказаться ошибочным». Однако обнаружилось, что у Резерфорда была в запасе довольно неожиданная теоретическая защита числа 4,65. Она опиралась на побочное следствие квантовой гипотезы Макса Планка. И в новом письме к Иву Резерфорд сослался на Планка. Но существенней, что эта ссылка не осталась случайным упоминанием, надолго похороненным в частной переписке Резерфорда.

Вместе со статьей об электрическом методе счета альфа-частиц редакция «Трудов Королевского общества» получила 17 июля 1908 года другую статью Резерфорда и Гейгера — «Заряд и природа альфа-частицы». Там была короткая сноска:

Интересно отметить, что из общей оптической теории естественной тепловой радиации Планк вывел оценку — e = 4,69·10 -10электростатических единиц.

«Интересно отметить…» — это было сказано с должной академической сдержанностью. Между тем совпадение чисел 4,65 и 4,69 выглядело удивительно. А самое интересное заключалось в том, что планковская оценка «e» была известна уже в течение восьми лет — с 1900 года, да только никто не принимал ее всерьез. Она ведь тоже почти на 40 процентов расходилась с томсоновской. И сама квантовая гипотеза еще представлялась многим физикам тех лет крайне невероятной. А потому и число 4,69 было в их глазах скорее уликой против Планка, чем аргументом в его пользу.

Среди англичан было не меньше скептиков, чем среди физиков континента. В 1955 году Макс Борн говорил в Берлине: «…Сколько мне помнится, в Геттингене я ничего не слышал о квантах; не слыхал я о них и в Кембридже, где весной и летом 1906 года слушал лекции Дж. Дж. Томсона и Лармора и проходил экспериментальный курс в Кавендишевской лаборатории».

Не принадлежал ли до 1908 года к разряду скептиков и Резерфорд? Ответить на это трудно. Но так или иначе, а за годы Монреаля он ни в письмах, ни в статьях, кажется, ни разу даже словом не обмолвился о Планке и о квантах. Правда, «умозаключать от молчания» рискованно. Тем более рискованно, что в монреальские годы квантовые идеи Планка, а потом и Эйнштейна ничем не могли бы облегчить ему проникновение в суть радиоактивности. Любое участие в дискуссии о квантах было бы для него в ту пору выступлением «не по специальности». Предаваться же общим рассуждениям о возможном устройстве природы он не слишком любил. Словом, истолковать тогдашнее молчание Резерфорда можно по-разному: и как результат недоверия и как выражение осторожности. Но враждебного неприятия новых идей тут не было наверняка — у такого человека, как Резерфорд, оно бы неминуемо прорвалось, и не раз!