Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Атомный вес, прежде полновластный распорядитель в периодической системе, полностью утратил свой авторитет после появления нового кумира — атомного ядра. Порядковый номер элементов точно совпадал с величиной электрического заряда ядер и был одинаков у всех изотопов каждого элемента.

Физики были счастливы, но недолго. Любознательность непреодолима и не признает никаких границ. Захотелось поточнее измерить ядерный вес, и как только Р. Астон, ближайший сотрудник Э. Резерфорда в Манчестерском университете, закончил работу по усовершенствованию своего масс-спектрографа, началась новая ревизия. Тут-то и обнаружилась недостача.

Массы атомных ядер совсем немного, всего лишь на несколько десятых и даже сотых долей процента от массы водорода, недотягивали до ближайшего целого числа.

Экспериментаторы только развели руками. В их глазах атомные ядра теперь выглядели не только хранителями огромных запасов энергии, но и расточителями собственной массы.

— Кража в микромире? Феноменально! Что же показало расследование?

— Объяснить, с чем связана крошечная потеря в атомном весе, было для физиков намного труднее, чем следователю найти самого хитрого расхитителя.

— В мире атомов и ядер все непросто. Догадываюсь, что там два плюс два не совсем четыре и обычная математика не годится.

— Виноватой оказалась не арифметика, а основы мироздания. Недостающие ничтожно малые доли грамма, так называемый «дефект масс», как выяснилось с помощью специальной теории относительности, были математически точной мерой энергии радиоактивного излучения.

Ученые, увлеченные исследованиями атомных ядер, не сразу догадались, что необходимые для следствия материалы уже несколько лет назад найдены специальной теорией относительности, которая вверх дном перевернула все представления о пространстве, времени, материи и движении. Не следует, однако, думать, что крупнейшие теоретики в начале нашего века ставили перед собой именно такую задачу: расчистить дорогу, ведущую к познанию микромира.

В то время еще не было видно ни самой этой дороги, ни препятствий, которые необходимо было устранить. Об атомном ядре пока ничего не знали. Известно было лишь одно: атомы имеют сложную структуру. Ведь они содержали электроны, а при радиоактивном распаде испускали альфа-, бета- и гамма-лучи.

Экспериментаторы и занимались в основном изучением свойств радиоактивных веществ и только-только начали поставлять материал теоретикам для размышлений. Окно в микромир было едва приоткрыто.

И тем не менее в первые годы XX века был разоблачен и решительно отброшен тот поверхностный подход к основным взаимосвязям в природе, что царил в физике несколько столетий. Наука сформулировала новые, более глубокие основы, на которых затем выросла физика атомного ядра и элементарных частиц. Как же это могло произойти?

Обычно пересмотр старых понятий происходит в тот момент, когда они приходят в противоречие с новыми экспериментальными фактами.

У физиков, пытавшихся разобраться в строении вещества, имелось тогда в руках одно необычное открытие — радиоактивный распад атомов. Но явление радиоактивности оказалось настолько непонятным, что невозможно было установить, в чем же конкретно выражалось его несоответствие сложившейся картине мира.

«Не было счастья, да несчастье помогло», — утверждает пословица. Был еще один факт, который, безусловно, противоречил механике И. Ньютона. Такие известные ученые, как Г. Лоренц, А. Пуанкаре, П. Ланжевен и другие, пытались в это время примирить классическую физику с обнаруженным экспериментаторами странным свойством света. Его скорость совершенно не зависела от движения источника, испускающего свет. Приближался ли источник света или удалялся от приемника, свет приходил к нему всегда с одинаковой скоростью. Для него не существовало правила сложения скоростей!

Этот единственный непонятный факт в микромире, до сих пор послушном законам классической физики, чрезвычайно тревожил ученых, и они прилагали огромные усилия, чтобы приспособить его к основам механики И. Ньютона.

А на самом-то деле необычное свойство света вскрыло неблагополучие в фундаменте, казалось, полностью завершенного здания физики; неблагополучие, связанное с ограниченным толкованием понятий пространства, времени, материи и движения, то есть всех тех понятий, соотношения между которыми особенно выпукло проявились потом в микромире.

Заинтересовался этой проблемой и молодой А. Эйнштейн, который после окончания Цюрихской технической школы работал в швейцарском бюро патентов в должности эксперта.

Кроме близких друзей, никто и не знал, что молодой эксперт в свободные от службы часы вел напряженную научную работу. Его начальник и не догадывался, кто занимается у него оформлением патентных свидетельств. Когда будущий лауреат Нобелевской премии вручил ему заявление об уходе с работы и объяснил, что приглашен на должность профессора в Цюрихский университет, последовала бурная реакция: «Это неправда, господин Эйнштейн. Я вам не верю. Это очень глупая шутка».

Ученый, получивший результаты, без которых невозможно было построить ни один ускоритель, невозможно было ни оценить запасы атомной энергии, ни рассчитать энергетический баланс ядерных реакций, не занимался, как Э. Резерфорд, исследованием радиоактивности или поисками атомного ядра и не открыл ни одной элементарной частицы. Вся его лаборатория, все его орудия труда легко умещались в кармане. Это был карандаш, к помощи которого он прибегал, чтобы сделать необходимые расчеты.

А. Эйнштейн первым понял, что именно тянет за собой факт «неповиновения» скорости света обычным правилам классической физики. Он показал, что этот факт вместе с математическими формулами, с помощью которых хотели ликвидировать расхождение между ним и механикой Ньютона, необходимо положить в основание новой теории — специальной теории относительности. А старые правила считать приближенными и справедливыми только для объектов, движущихся со скоростью, намного меньшей скорости света.

Специальная теория относительности утверждала, что чем быстрее движется тело, тем сильнее оно сопротивляется движению, увеличивая массу. Заметить эту необычную метаморфозу можно было только при одном чрезвычайно жестком и практически, как тогда казалось, невыполнимом условии: тело должно было двигаться со скоростью, близкой к скорости света.

Новая теория была создана как будто «по заказу» микромира, хотя и несколько раньше, чем он поступил. На Земле просто не были известны объекты, движущиеся со столь высокими скоростями. И это дало повод Э. Резерфорду отметить как-то, что недостаток теории относительности заключается, по его мнению, в чрезмерной абстрактности этой теории и оторванности ее от действительности.