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

Модель Резерфорда не только открыла новые перспективы для решения многих проблем атомной физики. Альфа-частицы, к примеру, на самом деле были частями ядра, которые каким-то образом выбрасывались или откалывались от него. Они имели положительный заряд, подобно остальной части ядра; однако когда их скорость снижалась, они обретали способность притягивать электроны, после чего становились электрически нейтральными, как обычные атомы гелия.

В то время ни Резерфорд, ни кто-либо другой не рассматривал данное открытие как невероятное или эпохальное. Исследователь редко упоминал свое открытие в переписке и весьма сжато изложил содержание своей статьи в труде «Радиоактивные вещества и их излучение», вышедшем почти два года спустя. Научный мир отреагировал на его идеи довольно сдержанно. В ведущих научных журналах тех лет практически не было ссылок на статью Резерфорда, отсутствовали упоминания о ней как в докладах на наиболее значимых научных конференциях, так и в лекциях крупнейших ученых, включая Томсона.

Нам, людям XXI века, до боли остро осознающим драматические последствия открытия атомного ядра, это кажется очень странным. Однако модель Резерфорда в момент своего появления никак не соотносилась с огромным объемом информации, имевшимся об атоме в тогдашней химии и физике. Более того, его модель, согласно существовавшим в то время представлениям, не могла работать, так как была механически нестабильна. Модель обрела стабильность лишь в 1912 году, когда в Манчестер прибыл датский физик Нильс Бор и применил к модели Резерфорда идею кванта, состоявшую в том, что излучение и поглощение энергии электронами на атомных орбитах может происходить только конечными, хотя и очень небольшими, порциями. Кроме того, Бор продемонстрировал, как Резерфордова модель, обновленная в свете квантовой теории, объясняет многие другие явления, например частоту излучения света атомами водорода. Немного позднее Генри Мозли, еще один ученик Резерфорда, показал, что с помощью модели атома Резерфорда – Бора можно объяснить излучение рентгеновских лучей переходами с одного энергетического уровня на другой внутренних электронов более тяжелых элементов и рассчитать его частоту. Только после этого модель атома, почти вся масса которого сосредоточена в небольшом по относительным размерам ядре, стала очевидной для тех, чья интуиция не была столь развита, как у Резерфорда.

В наше время легко ретроспективно охарактеризовать открытие Резерфорда как результат некоего озарения. Учебники физики сравнивают его эксперимент с методами таможенников в эпоху зарождения таможенного контроля: в тюк сена стреляли, и если пуля рикошетировала, то становилось ясно, что под сеном спрятано нечто более плотное. Однако, когда Резерфорд и его помощники приступали к своему эксперименту, они вовсе не были уверены в том, что альфа-частицы своим поведением напоминают пули, и не знали, что заставляет их рикошетировать и каким образом. Описываемая модель возникла впоследствии, в ходе исследований, а не до их начала. И лишь спустя много времени стало ясно, насколько эпохальное открытие сделано Резерфордом и его коллегами.

Как-то я задумал повторить эксперимент, с помощью которого Резерфорд открыл ядро атома. На практике опыт представлялся довольно простым: источник излучения, мишень, экраны сцинтилляции, микроскопические вспышки, которые нужно было подсчитывать в темноте. Я занялся сбором изображений и диаграмм данного эксперимента, его описаний, сделанных различными участниками, и аналитических комментариев, принадлежащих тем или иным историкам науки. Мне пришлось даже освежить в памяти кое-что из математики.

Я собирался провести эксперимент перед студенческой аудиторией, возможно, сделать документальный фильм. В поисках помощника я обратился к физику Сэмюелу Девонсу из Барнард-колледжа, который, по моим сведениям, работал с Резерфордом в ходе экспериментов с рассеянием альфа-частиц.

Выслушав мое предложение, Девонс расхохотался и долго не мог успокоиться. Немного придя в себя, он объяснил мне, что в наше время практически невозможно получить разрешение на работу с радиоактивными материалами, необходимыми для данного эксперимента, – степень излучения нарушает все приемлемые нормы. Можно, конечно, пойти окольным путем и – как поступают многие университетские лаборатории – воспользоваться разрешенными слабыми источниками радиации в соединении с современным электронным оборудованием, которое может несколько дней автоматически собирать данные. К сожалению, это было совсем не то, что я хотел организовать.

Девонс заметил:

«Главная проблема состоит в том, что эксперимент – настоящее искусство. Он сродни изготовлению идеально звучащей скрипки. Скрипка ведь не производит впечатления какого-то очень сложного устройства. Предположим, вы придете к скрипичному мастеру и попросите его помочь вам сделать настоящий «страдивари», потому что вам интересно изготовление скрипок и хочется узнать, как они делаются. Он посмеется над вами так же, как только что смеялся я. Ведь искусство – это знание, которое хранится не в голове, а в кончиках пальцев, это мелкие хитрости, которым учатся в ходе самой работы.

Часто они вас подводят, но вы повторяете их снова и снова. На вашем пути возникает масса трудностей, вы обдумаете, как их преодолеть, – и в конце концов вам это удается. Всякий раз, когда вы задумаете привнести в свою работу нечто новое, приходится забывать все старые навыки и уловки и приобретать новые. Однако вы должны все помнить и все знать, потому что если вы напрягаете свое оборудование до предела, резко возрастает шанс получить ложные результаты. Порой вы даже не можете понять, что же вы упустили. Любой экспериментатор когда-либо в своей жизни совершал ужасные ошибки, и любому экспериментатору известны примеры позора его друзей и коллег, получивших ложные результаты и слишком поспешивших их обнародовать.

Но как бы то ни было, вам приходится вести поиск на самом переднем крае, так как в противном случае кто-нибудь обязательно вас опередит. А ведь как это ужасно – очутиться среди отставших! У каждого из нас есть шкаф, до предела набитый несостоявшимися открытиями из-за того, что мы были слишком осторожны или кто-то другой оказался умнее нас. Одновременно с Резерфордом над теми же самыми проблемами работала целая австрийская школа, о которой в наше время совершенно забыли. А почему? Потому что Резерфорд был чуть отважнее и чуть изобретательнее» 145.

Та разновидность искусства, о которой говорил Девонс, конечно же, присутствует не только в физике. Альберт Уитфорд, влиятельный американский астроном середины XX века, однажды заметил, что в его время работа с большим телескопом требовала от астронома «настоящего искусства, истинного мастерства в обращении с красивым и капризным инструментом». На самом деле изучение всех прихотей исследовательского инструментария – весьма кропотливый, а порой и изнурительный труд. Известный космолог Аллан Рекс Сэндидж, проведший бесчисленное количество ночей у громадных телескопов, поясняет: