Бег за бесконечностью

Глава первая, в которой происходит первое знакомство с очень молодой наукой — физикой элементарных частиц

Позвольте представить вам одну из самых быстроразвивающихся областей современной науки — физику элементарных частиц. Представить не только во всем величии гигантских уникальных приборов, но и в тех, порой мучительных неясностях, которые всегда подстерегают дерзнувшего понять. Представить не только как совокупность ясных, твердо установленных фактов и положений, но и как великий путь эволюции наших взглядов на структуру вещества, вернее, как этап пути, начало которого подернуто полулегендарной дымкой историко-научных гипотез, а конец и вовсе не виден.

Как это следует из названия, раздел физики, который мы будем обсуждать, занимается свойствами простейших составляющих вещества, таких объектов, из которых на сегодняшний день не удалось выделить ничего более элементарного, чем они сами.

Главная проблема, стоящая перед физиками, заключается в выяснении природы сил, действующих между элементарными частицами в различных реакциях. По-видимому, эти же силы обусловливают и существование самих частиц, и, в конечном счете, именно то строение окружающего мира, которое мы наблюдаем.

В принципе физика элементарных частиц очень молодая наука. В 1977 году ей исполняется ровно 80 лет, и она практически целиком принадлежит нашему веку. Первая элементарная частица, а следовательно, и первый объект этой науки — электрон — был открыт английским физиком Дж. Дж. Томсоном, знаменитым «Джи-Джи», в 1897 году. Так что мы вправе говорить не только о молодости, но, пожалуй, о юности этой науки.

Это звучит наилучшим комплиментом, если вспомнить высказывание академика В. Гинзбурга, который назвал физику элементарных частиц «самой красивой дамой физического королевства».

Ее родословная чрезвычайно интересна и поучительна, и нам вскоре предстоит отправиться в специальное путешествие по ее временам и теориям. А пока давайте обсудим то удивительное сочетание счастливой случайности и ясной целенаправленности поиска, которое непосредственно привело физиков к порогу микромира.

Один из путей к современной науке об элементарных частицах возник примерно в начале XVIII века в связи с исследованиями распространения электричества в разреженных газах. Эти исследования служили в свое время едва ли не образцом чрезвычайно сложной в техническом отношении и неблагодарной работы. Действительно, правильного понимания электрических явлений еще не было, а необходимость создания сосудов с высокой степенью разрежения газов, или, как говорят, с высоким вакуумом, порождала серьезнейшие трудности при постановке буквально каждого нового опыта.

И неудивительно, что основной наградой большинству ученых, рискнувших взяться за такую работу, было чисто эстетическое наслаждение — они могли долго любоваться замечательным свечением, возникающим при электризации колбы с достаточно хорошим вакуумом. Удивительно, пожалуй, другое — упорство и изобретательность, несмотря на все проблемы и неясности, приносили прекрасные плоды. Так, русский ученый В. Петров, который одним из первых стал систематически изучать зависимость электрического разряда в газах от формы электродов, расстояния между ними, уровня разрежения в сосудах, сделал в 1802 году открытие важнейшего явления — электрической дуги.

Решающий сдвиг в исследованиях стал возможен лишь после изобретения немецкого стеклодува Г. Гейслера, который в 1855 году предложил использовать для создания действительно хорошего вакуума принципиально новый ртутный насос.

В течение последующего десятилетия изучение явлений в газонаполненных разрядных трубках поднялось на качественно новый уровень. Были повторены и значительно расширены все основные эксперименты, а главное — был твердо установлен особый вид свечения стеклянной оболочки колбы, так называемая флуоресценция, под действием неизвестных агентов, вылетающих с отрицательно заряженного электрода — катода. Этот эффект смогли не только обнаружить, но и довольно подробно исследовать именно в вакуумных трубках с чрезвычайно высоким разрежением. Таинственные агенты, вызывающие свечение, были названы катодными лучами.

Однако после открытия катодных лучей потребовалось еще несколько десятилетий для того, чтобы уверенно отождествить их с потоком элементарных частиц вещества. Вокруг результатов основных экспериментов разгорелась настоящая война идей.

Ряд крупных физиков полагали, что катодные лучи имеют ту же природу, что и свет, то есть катод излучает некоторые волны. К лагерю волновиков примыкал, в частности, первооткрыватель электромагнитных волн Г. Герц. Даже сам автор термина «катодные лучи» немецкий физик Э. Гольдштейн, который сделал первое подробное описание их характеристик, был уверен в правильности прямой аналогии со световыми явлениями.

Точка зрения противников сводилась к тому, что новые лучи состоят из отдельных заряженных частиц, как говорили в те времена, корпускул. Сторонники корпускулярной гипотезы в конечном счете восторжествовали, и главная заслуга в этом принадлежит двум английским ученым У. Круксу и Дж. Дж. Томсону.

У. Крукс — типичный представитель ученого мира старых, добрых времен. Человек разнообразных интересов, он внес весомый вклад в развитие нескольких областей естествознания, например, именно он открыл химический элемент таллий.

Основные достижения У. Крукса были связаны с его работами по газоразрядным трубкам и глубокими исследованиями свойств катодных лучей. Исключительная изобретательность в создании трубок различных конфигураций с самой разнообразной внутренней «начинкой» позволила ему доказать, что новые лучи распространяются прямолинейно, могут отклоняться магнитным полем и обладают импульсом. Очень важно и то, что У. Крукс сумел заглянуть за границы, очерченные доступными ему опытными данными, — он, по-видимому, первым предсказал, что заряженные частицы, вылетающие из катода, являются особым, не сводящимся к уже известным, состоянием вещества.

Однако возражения противников корпускулярной гипотезы и после замечательных экспериментов У. Крукса не были устранены. В борьбе научных идей опыт действительно главный судья, но, к сожалению, не только одного, а порой и десятка независимых опытов не хватает для строгого выбора между двумя конкурирующими гипотезами.

Само существование противоположных мнений по поводу одного и того же явления — наилучший способ ускорить постановку опытов, способных разрешить все споры. Другой вопрос, что не всегда имеется возможность немедленно добиться решения именно таким естественным путем, например, из-за несовершенства экспериментальной техники.

Какие же преграды стояли на пути корпускулярной гипотезы о природе катодных лучей после работ У. Крукса? В последнее десятилетие XIX века этим работам и блестящему исследованию двадцатипятилетнего французского физика Ж. Перрена, который доказал, что новые лучи переносят отрицательный электрический заряд, противостояли удивительные результаты самого Г. Герца, ставшего к тому времени благодаря открытию радиоволн одним из крупнейших авторитетов в экспериментальной физике. А результаты Г. Герца были и впрямь поразительны. Несмотря на превосходное владение методами постановки самых тонких опытов, он не сумел обнаружить отклонение катодных лучей в электростатическом поле. Разве могут добропорядочные электрически заряженные частицы не реагировать на такое поле? Но почему же тогда они ведут себя как следует под действием магнитов?

Так, буквально на самом пороге нового века, уже у готовой, ладно сбитой колыбели физики элементарных частиц возникла трудная, пожалуй, даже загадочная ситуация.

Решение было найдено Дж. Дж. Томсоном. Он рассуждал просто и убедительно. Если катодные лучи во всех других экспериментах вели себя как заряженные частицы, то они непременно должны отклоняться электростатическим полем. Если этого не наблюдается, то «виноваты» не обязательно лучи, возможно, «виновато» поле, которое просто не проникает в трубку. Но экранировать такое поле способен лишь хороший проводник (электростатическое поле в проводящую среду не проникает), а стекло трубки таковым не является, значит, проводящей средой является остаточный воздух внутри трубки. Дальнейшее было, как говорится (к сожалению, только «как говорится»!), делом техники. Давление газа было заметно понижено, и необходимое отклонение катодных лучей стало экспериментальным фактом.

Впоследствии, добиваясь взаимной компенсации отклонений с помощью одновременного наложения известных электрических и магнитных полей, Дж. Дж. Томсон сумел определить такую важную характеристику новых частиц, как отношение заряда к массе ^e/_m. Именно эта величина, а не заряд и масса по отдельности, была доступна в то время прямому измерению. С этого момента и отсчитывается обычно дата открытия электрона и рождения всей физики элементарных частиц.

Конечно же, решение одной крупной задачи немедленно повлекло за собой постановку других задач, проясняющих ситуацию с новыми частицами. В этом смысле 1897 год — не более чем удобная и вполне разумно выбранная мемориальная вешка в биографии электрона. Достаточно сказать, что сам этот термин был придуман раньше и относился совсем к иному объекту. Англичанин Дж. Стони, тщательно исследовавший открытое М. Фарадеем явление электролиза, назвал электроном отрицательный заряд одновалентного иона еще в 1891 году. Поэтому в отношении новой частицы довольно долгое время существовала изрядная терминологическая неразбериха — ее отмечали в литературе и как «ион», и как «электрон», и как «корпускулу электричества» (последнее название употреблял сам «Джи-Джи»). Как ни странно, эта путаница оказывала заметное влияние на научные выводы ряда работ, но уже с первых лет нового века недоразумение было полностью устранено.

Примерно к тому же времени завершился цикл экспериментов Дж. Дж. Томсона, Ч. Вильсона, Р. Милликена по измерению заряда и массы электрона.

Так электрон окончательно вошел в физику, но отнюдь не для того, чтобы занять подходящий для легчайшей частицы вещества скромный дальний уголок, а с явными революционными намерениями, и действительно, примерно за десять-пятнадцать лет своего существования он полностью подорвал фундамент классической науки. Роль открытия электрона превосходно характеризуется следующим высказыванием английского ученого Г. Липсона: «Физика, да и вообще вся жизнь на Земле, теперь уже никогда не сможет быть такой, как до этого открытия».

Мы в определенной степени сумели убедиться, что открытие электрона — длительный и многотрудный процесс, но он дает представление лишь об одном из путей к физике элементарных частиц. На самом деле у колыбели этой науки образовался целый оживленный перекресток. Сюда широкими столбовыми дорогами и узенькими, едва заметными тропинками стекались практически все главные трудности физики XIX века.

Лет сто назад в физике возник взрывообразный интерес ко всякого рода таинственным и загадочным излучениям и свечениям. Пышные прилагательные в этом предложении вовсе не дань возвышенному стилю и некоторой склонности к мистико-романтической образности, характерной для популярных корреспонденций тех времен. Наблюдалось, действительно, множество различных излучений: светился остаточный газ и флуоресцировала стеклянная колба в уже знакомых нам экспериментах с газоразрядной трубкой, красиво фосфоресцировали соединения урана, наконец, в 1887 году мир узнал, что «генератор Герца» излучает какие-то невидимые электромагнитные волны… Причем большинство из этих излучений не могли быть сколь-нибудь глубоко объяснены. Отсюда и вполне понятный ореол таинственности.

Однако «лучевой бум» оказался теснейшим образом связанным с результатами последнего пятилетия прошлого века. В самом конце 1895 года немецкий физик К. Рентген обнаружил, что из точки пересечения потока катодных лучей со стеклянной оболочкой трубки исходит странное излучение, вызывающее флуоресценцию ряда веществ и обладающее невероятной проникающей способностью. Открытие Х-лучей, как окрестил их сам К. Рентген, обессмертило его имя: он стал через шесть лет первым в истории лауреатом Нобелевской премии.

Сейчас мы настолько привыкли к рентгеновским лучам, рентгеновским установкам, наконец, к врачам-рентгенологам, что вряд ли способны представить современную медицину без всего этого. Кстати, исключительная популярность К. Рентгена и его работ — а он стал широко известен буквально через несколько месяцев после своего знаменитого доклада в Вюрцбургском университете — связана именно с чрезвычайно скорым прикладным использованием его метода в медицинских целях. Уже через год-два после открытия каждый, кто приходил на публичные демонстрации, которые охотно устраивали физики, мог полюбоваться контурами своего скелета. Разумеется, это было зрелище не для слабонервных, но оно в высшей степени подогревало общественный интерес к поиску новых явлений.

И открытия еще более удивительные и глубокие не заставили себя ждать. Всего через 4 месяца после обнаружения рентгеновских лучей французский физик А. Беккерель, достойный представитель научной династии Беккерелей (его дед, отец и сын также известные физики), что называется, обручился со счастливой случайностью. Настолько счастливой, что она стала чуть ли не хрестоматийным примером редкого везения.

Разумеется, дело не только в везении. А. Беккерель по давно установившейся семейной традиции тщательно изучал эффект фосфоресценции различных веществ. После достаточно длительной экспозиции на обычном солнечном свете некоторые вещества продолжали светиться (фосфоресцировать) и при переносе в темное помещение. Это явление было известно довольно давно и уже применялось на практике, например, в часах со светящимся циферблатом. Одним из самых лучших фосфоресцентов считалась двойная сульфатная калий-урановая соль, которая часто использовалась в экспериментах и А. Беккерелем.

Вскоре после появления первых сообщений об открытии всепроникающих рентгеновских лучей он решил проверить, не испускают ли фосфоресценты подобного излучения. С этой целью А. Беккерель начал выставлять на солнечный свет образцы урановой соли, расположенные на фотопластинках, тщательно обернутых непрозрачной бумагой. Образцы достаточно четко отпечатывались на пластинке, то есть проникающее излучение действительно существовало.

А. Беккерель был, несомненно, воодушевлен первыми успехами, но, по-видимому, уверовал, что найден новый способ получения рентгеновских лучей. Он с увлеченностью охотника, напавшего на верный след, ставил опыт за опытом, пока не столкнулся с одной досадной помехой. Однажды он готовил очередной эксперимент, но погода испортилась, и ему пришлось запереть все устройство в ящик письменного стола. Собранная схема предназначалась для изучения экранирующего действия металлов, в частности, между защищенной фотопластинкой и образцом урановой соли помещался небольшой медный крест. Примерно через сутки А. Беккерель установил, что пластинка безнадежно испорчена — на ней виден довольно четкий отпечаток креста.

История умалчивает об этом, но я почему-то не сомневаюсь, что сразу после проявления фотопластинки А. Беккерель испытал некоторое раздражение. Еще бы! Опытнейший 43-летний экспериментатор должен был позаботиться о ее сохранности. Ведь к этому времени многие (и он в том числе) знали, что прекрасные фосфоресценты — соли урана — обладают вредным побочным действием, портят фотопластинки. Я не сомневаюсь и в том, что чувство досады очень скоро уступило место восторгу истинного первооткрывателя. Ведь результат «эксперимента поневоле» позволял утверждать, что солнечное освещение было вообще ни при чем, а соли урана сами испускали некоторое излучение. Вскоре А. Беккерель убедительно показал — новое излучение связано только с урансодержащими веществами; все остальные образцы независимо от их фосфоресцентной способности никакого эффекта не давали.

Через несколько лет А. Беккерель и другие физики выяснили, что новое излучение обладает сложным составом из трех компонент: одна из них — альфа (α) — несет положительный электрический заряд и сильно поглощается в веществе, вторая — бета (β) — отрицательно заряжена и, как и третья, нейтральная — гамма (γ) — компонента, обладает значительно большей проникающей способностью. Так в физику вошли представления об альфа-, бета- и гамма-излучениях, которые были расценены как прямые сигналы о превращениях, происходящих в самых глубинах атомного мира.

Забегая немного вперед, следует сказать, что альфа-излучение оказалось потоком атомных ядер гелия, состоящих из четырех элементарных частиц: двух протонов и двух нейтронов, а бета- и гамма-излучения — потоками элементарных частиц: быстрых электронов и жестких фотонов (квантов электромагнитного поля), соответственно. Они, действительно, были прямыми сигналами, но не из атомного, а из ядерного мира, представляющего в определенном смысле более глубокий уровень строения вещества.

Очевидно, физиков того времени не следует упрекать в неточности, ведь они не успели еще как следует разобраться в атомной структуре. Само слово «атом» зачастую употреблялось по отношению к иным объектам, например, как мы помним, электрон тоже называли «атомом электричества». В следующей главе вы увидите, что законы такого словоупотребления были связаны скорее с некоторой философской традицией, а не с особым физическим содержанием.

Замечательное открытие А. Беккереля заинтересовало многих физиков, в том числе супругов П. и М. Кюри и Э. Резерфорда. Супруги Кюри, пожалуй, самая выдающаяся в истории науки «семейная лаборатория», привнесли в дело присущее им сочетание талантов и широкий размах. Именно они ввели термин «радиоактивность», обозначив им способность некоторого вещества излучать, подобно урану. Им же принадлежит заслуга в открытии некоторых радиоактивных элементов.

Главное среди этих открытий, несомненно, радий, излучение которого оказалось примерно в миллион раз сильнее, чем у урана. Для оценки роли, сыгранной этим редчайшим элементом в становлении современной физики, не хватит обилия всех похвальных слов, всех превосходных степеней, содержащихся в русском языке. Благодаря огромной интенсивности радиации радий не только дал возможность разгадать ее природу, но и стал на целых три десятилетия уникальным инструментом для проникновения в микромир.

Работы в этих направлениях неразрывно связаны с именем Э. Резерфорда, которого справедливо называют отцом современной ядерной физики. Научное дарование и характер Э. Резерфорда как нельзя лучше соответствовали тому бурному сокрушению основ, которое происходило в физике на рубеже столетий. Он обладал феноменальной интуицией и, как правило, оказывался в самых интересных и «горячих» точках научных разработок, совершенно фантастической изобретательностью в трудных, для подавляющего большинства современников непреодолимых, экспериментальных ситуациях. И наконец, ему было присуще поразительное чутье на таланты — из резерфордовской школы вышло с добрый десяток лауреатов Нобелевской премии.

Вклад Э. Резерфорда в изучение радиоактивности велик и многообразен. Достаточно отметить, что свою Нобелевскую премию он получил именно за фундаментальные работы в этой области. Одно из исследований Э. Резерфорда, завершенное примерно в 1908 году, сыграло поистине определяющую роль в дальнейшем штурме микромира: речь идет об установлении природы альфа-излучения.

Это была сложная проблема, лишь постепенно поддававшаяся решению. Уже к 1903 году Э. Резерфорд доказал, что альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц. После многочисленных измерений традиционно важного отношения заряда к массе стало ясно, что альфа-частицы принадлежат к атомному миру; но доступная точность этих экспериментов, к сожалению, была слишком мала для того, чтобы сделать окончательные количественные заключения.

Казалось бы, прямой путь к разгадке природы альфа-частиц на неопределенное время заказан; надо ожидать, пока технические усовершенствования позволят должным образом улучшить точность опытов. Но не был бы Резерфорд Резерфордом, если бы не предпринял очень характерный для него блестящий обходной маневр — раз альфа-частицы не желают выдавать своих секретов поодиночке, их надо собрать в большой коллектив и устроить в образовавшемся газе электрический разряд. При этом должно возникнуть определенного вида свечение со своим, присущим только данным атомам спектром. Дальше остается только воспользоваться каталогом уже известных спектров и отождествить по нему добытые результаты.

Конечно же, все это просто выглядит лишь на бумаге; на деле все обстояло куда сложней. Так, для проведения данного эксперимента в резерфордовской лаборатории был создан уникальный прибор, потребовавший исключительно виртуозной работы стеклодувов. Но, несмотря на все трудности, опыт прошел вполне успешно, и Э. Резерфорд увидел в некоторой мере предугаданную им картину: альфа-частицы оказались не чем иным, как полностью ионизированными атомами гелия.

Сразу же после этого открытия основные функции альфа-частиц в резерфордовской лаборатории резко меняются — из загадочного объекта они превращаются в надежный инструмент исследований.

Я бы хотел немного обсудить этот интересный и весьма типичный прием научной работы.

В общем-то, любое известное явление несет в физике своеобразную двойную нагрузку. Оно, если можно так выразиться, «учится и работает» одновременно, точнее — оно само подвергается изучению и используется неким образом для изучения других явлений. Любопытно, что правильное понимание механизма этого явления нередко наступает уже после многократного и плодотворного применения. Обратимся к примерам.

Катодные лучи помогли открыть рентгеновское излучение и установить многие его свойства еще до знаменитой томсоновской работы. В свою очередь, рентгеновские лучи стали активно применяться не только в физических, но и в прикладных медицинских целях лет за 10–15 до установления их природы. Только в 1912 году немецкий физик М. Лауэ доказал, что рентгеновские лучи рассеиваются на элементах кристаллической решетки подобно тому, как обычные волны рассеиваются на щелях или малых препятствиях. Этот замечательный эксперимент вошел в историю науки, пожалуй, как самый яркий пример на тему: «убить двух зайцев сразу» — ведь была не только обнаружена волновая природа рентгеновского излучения, но и открыт путь к прямому изучению атомно-молекулярной структуры кристаллов.

Показательна в этом плане судьба первой элементарной частицы — электрона. Сразу же после «появления на свет» он зарекомендовал себя как активнейший труженик науки, хотя даже основные его характеристики были известны весьма приближенно — значение заряда и массы электрона подвергалось в первые годы многим существенным уточнениям. Однако самая важная область современной прикладной физики — электроника, без которой сейчас немыслимы ни наука, ни техника, ни прямая трансляция хоккейных матчей из Канады, — на пару лет старше самого электрона. Ее возраст отсчитывается, как правило, от уже упоминавшейся работы Ж. Перрена, эксперименты которого велись в 1895 году с использованием самой настоящей электронно-лучевой трубки.

Честно говоря, мы и теперь не готовы к полному ответу на вопрос: что такое электрон? Старейшина микромира — сплошной клубок проблем. Но это не мешает постигать с его помощью тончайшие детали строения материи и тем более не мешает, скажем, Министерству электронной промышленности планировать выпуск точных и сверхточных приборов.

Один из впечатляющих примеров на эту тему как раз и связан с альфа-частицами. После экспериментов 1908 года Э. Резерфорд решил применить их в качестве снарядов для прямого зондирования структуры вещества, пока еще не догадываясь, что в его руках находятся натуральные атомные ядра. Но, даже выступая инкогнито, альфа-частицы блестяще справились со своей задачей и, к немалому удивлению Э. Резерфорда, значительно «перевыполнили план». Бомбардируя тонкие образцы золотой фольги этими замечательными снарядами, Э. Резерфорд и его ученики заметили любопытное явление. Подавляющее большинство альфа-частиц без труда пронизывали образец, но в отдельных случаях они отскакивали почти в противоположном направлении, или, выражаясь физическим слогом, рассеивались на углы, превышающие 90 градусов. Характеризуя степень недоумения, возникшего в лаборатории сразу же вслед за первыми наблюдениями подобного «чуда», Э. Резерфорд сравнивал резкое отклонение альфа-частицы с отскоком могучего артиллерийского снаряда от листка папиросной бумаги.

Между тем этот великий эксперимент, принципиальная схема которого легла в основу всей экспериментальной ядерной физики XX века, впервые позволил увидеть строение атомов. А непосредственная интерпретация сводилась к следующему. Вещество образца в основном прозрачно для альфа-частиц, но в него как бы вкраплены отдельные центры, несущие довольно большой положительный электрический заряд и имеющие чрезвычайно малый (по сравнению с атомным!) размер, причем именно в них сосредоточена вся масса вещества. Изредка налетая на такие центры, положительно заряженные альфа-частицы испытывали сильное отталкивание согласно закону Кулона для одноименных зарядов и рассеивались на очень большие углы. Отсюда и был сделан вывод о существовании атомных ядер. Поскольку атомы в целом электронейтральны, большой целочисленный (в единицах заряда электрона) положительный заряд каждого ядра должен компенсироваться соответствующим числом отрицательно заряженных электронов в атоме.

Так появилась знаменитая резерфордовская модель атома, работа над которой была завершена к 1911 году. В настоящее время картинка — несколько электронных орбит вокруг центрального ядра, наглядное изображение этой модели — стала своеобразным символом ядерных исследований.

Впрочем, рассказ об этом открытии нуждается, по крайней мере, в одном очень полезном уточнении. Планетарный (по аналогии с изображением солнечной системы) образ атома отнюдь не обязан своим появлением результатам резерфордовских экспериментов. Он зародился гораздо раньше. Еще в 1903 году японский физик X. Нагаока в докладе на заседании Токийского физико-математического общества выдвинул модель, где электронные оболочки располагались вокруг центрального тела наподобие колец планеты Сатурн. Через пару лет к разработке планетарной схемы строения атомов приступил Дж. Стони. Существовали и конкурирующие модели. Самая важная среди них была сформулирована учителем Э. Резерфорда Дж. Дж. Томсоном вскоре после открытия электрона. Дж. Дж. Томсон полагал, что электроны атома плавают в некотором облаке положительно заряженного вещества; и до поры до времени его идеи не противоречили результатам измерений.

В общем, исследования Э. Резерфорда и его сотрудников возникли не на пустом месте, более того, они были специально направлены на выяснение роли положительного электричества в атомной структуре. Значение их открытия трудно переоценить, но нельзя и забывать, что оно было серьезно подготовлено предшествующими теоретическими гипотезами.

Такая подготовка играет в физике всегда очень большую роль, поскольку эксперимент и теория состоят, вообще говоря, в весьма сложных взаимоотношениях. Казалось бы, куда проще: экспериментатор задал вопрос Природе, получил ясный ответ, потом пришел теоретик, написал нужное уравнение, получил подходящее решение и нарисовал несколько простых картинок для объяснения своей заумной математики нормальными человеческими понятиями. Если экспериментатор ошибся и через какое-то время даст теоретику совсем противоположные результаты, то последний волей-неволей начнет говорить о совсем иных решениях, нарисует новые картинки и… снова не менее успешно объяснит новые данные. Недаром ведь по поводу способности теоретиков «объяснять что угодно» едва ли не в каждой крупной лаборатории существуют анекдотические, но вполне правдивые истории.

Разумеется, в нарисованную здесь примитивную схему может поверить только несведущий человек. Ни один опыт никогда не ставился без определенной цели, по принципам известного сказочного персонажа — «пойди туда, не знаю куда, принеси то, не знаю что». Экспериментатор всегда имеет некоторое предварительное представление о том, что следует искать. Это представление может быть весьма приближенным и даже в конечном счете неправильным, но оно обязательно существует. Физики часто характеризуют такую ситуацию мудреным на первый взгляд оборотом: «Экспериментатор работает под определенную модель». По существу же, идея крайне проста. До постановки опыта всякое угадывание конечных результатов эквивалентно формулировке той или иной теоретической гипотезы. Гипотезу можно выдвинуть на основе уже существующей модели или придумать собственную оригинальную модель — это дело опыта и возможностей. Можно вообще ничего не придумывать, а выяснять мнение у находящихся поблизости авторитетных коллег! Но в любом случае поставленный эксперимент в первую очередь послужит целям проверки той модели, на которую ориентируется его автор.

Обратимся еще раз к истории открытия радиоактивности. Под какую модель работал А. Беккерель?

Основная его гипотеза заключалась в том, что фосфоресцирующие вещества могут испускать наряду с видимым светом еще и проникающее излучение типа рентгеновского. Первым опытам А. Беккереля как раз и предстояло дать ответ на вопрос: могут или не могут?

Результаты оказались положительными и были немедленно опубликованы. Их ценность заключалась именно в том, что они не противоречили принятой модели, более того, первоначально А. Беккерель был уверен, что доказал свою гипотезу. И лишь после известного нам казуса (я уверен, что плохая погода сослужила верную службу не одному выдающемуся достижению в физике) он исключил из своей гипотезы предположение, будто таинственное излучение связано с влиянием солнечного света, а вскоре и предположение, что оно связано с фосфоресценцией. Постепенно у него сформировалась новая модель: вещество испускает излучение неизвестной природы, если в состав образца включен уран; причем основные свойства этого излучения — высокая проникающая способность и независимость от внешних воздействий на источник. Именно последнее свойство резко отличало «лучи Беккереля» от рентгеновских лучей, которые были неразрывно связаны с работой катодной трубки.

Да, теория не пассивный созерцатель, а активный соавтор в добыче новых экспериментальных фактов. Без фактов может остаться на долгое время в тени любая, даже самая интересная идея, но и самый важный факт может «проскочить» мимо исследователя, если тот не вооружен соответствующими гипотезами. Это один из наиболее универсальных законов развития науки, и всякое крупное его нарушение сопровождается грустным комментарием историков: «Такая-то работа значительно опередила свое время и осталась почти незамеченной», или: «Время такого-то открытия еще не наступило».

Мало кому сейчас известно, что в середине прошлого века В. Вебер, прославившийся работами по электромагнетизму и изобретениями многих приборов, развил теорию, в которой фигурировали «атомы электричества», вращающиеся вокруг центрального ядра, и оказался, по-видимому, первооткрывателем планетарной модели атома. Несомненно, его идеи повлияли на ряд последующих поисков. Но, как мы помним, даже появившиеся через 50–60 лет после веберовских работ модели X. Нагаока и Дж. Стони, основанные не на гипотезе, а на факте существования электрона, обратили на себя внимание лишь в связи с экспериментами в резерфордовской лаборатории. А вот другой факт из истории физики. Еще в 1887 году А. Шустер, варьируя отклонения катодных лучей в магнитном поле, измерил отношение заряда к массе для частиц, из которых, по его мнению, состояли эти лучи.

Таким образом, при наличии более развитых теоретических представлений дата рождения физики элементарных частиц могла сдвинуться вниз на целых 10 лет! Да что уж там 10 лет! В истории науки имеются куда более поразительные примеры. Теоретическая недостаточность построений Аристарха Самосского, который впервые пытался обосновать наблюдениями гелиоцентрическую картину солнечной системы, но был абсолютно уверен в строго круговой форме планетарных орбит, примерно на 17 веков задержала развитие научной астрономии.

На фоне всех этих, в общем-то, несложных правил и примеров явно выделяется один очень интересный эффект, который я обозначил бы как «феномен предоткрытия». Этот эффект сыграл настолько выдающуюся роль в период зарождения физики элементарных частиц, да и на всех последующих этапах ее развития, что на его описании просто нельзя не остановиться.

Что мы понимаем под открытием? Прежде всего экспериментальные результаты, которые позволяют включить в систему научного знания новый объект или новое явление. Не так ли? Но как быть в том случае, когда новый объект или явление начинает активную жизнь в научной теории задолго до их экспериментального обнаружения, по крайней мере, до прямой регистрации?

«А разве такое возможно?» — спросит скептик.

«Не вижу никаких сложностей, — ответит ему эрудит. — Целые планеты открывались сначала „на кончике пера“. Просто один ученый может сделать теоретическое предсказание, а потом он сам или кто другой ставит опыт и проверяет, справедливо ли оно. Только после опыта следует говорить о настоящем открытии. Но, конечно, и предсказание дает немалый вклад в общее дело — оно заставляет поторопиться с постановкой важных экспериментов».

Эрудит в основном прав. Он высказал довольно распространенное мнение, но не учел одного любопытного обстоятельства — очень часто теоретически предсказанные объекты или явления играют в науке гораздо более ответственные и полезные роли. Происходит это приблизительно так.

Во многих случаях между теоретической гипотезой и ее экспериментальным подтверждением или опровержением ученые успевают несколько раз (а то и десятки раз!) сменить календарь. Идут годы, часть предсказаний устаревает, о них потихоньку забывают, как говорится, сдают в архив. Другую же часть ожидает совсем иная судьба — интерес к ним не затухает, а, наоборот, все сильней разгорается, по поводу гипотетических объектов ведутся споры на конференциях, им посвящают научные статьи, даже целые монографии. Причины такого интереса нетрудно установить. Гипотеза начинает все шире применяться для развития самой теории, на ее основе пытаются объяснить результаты широкого круга экспериментов. Первые же успехи на этом пути еще больше подталкивают ученых к убеждению, что идея хороша и ею стоит заняться подробней. Иногда благодаря многолетней активной работе исследователей гипотетические объекты настолько хорошо вписываются в свой раздел науки, что в момент появления долгожданных прямых экспериментальных доказательств мало кто из современников способен удержаться от легкого всплеска недоумения: «Ну и что! Все и так об этом знали…»

Замечательные превращения некоторых теоретических гипотез в почти достоверные факты и составляют суть «феномена предоткрытия». Предварительность, явно звучащая в этом термине, не случайна. Многие предоткрытия, даже попавшие на страницы учебников в качестве прописных истин, так и не избавились от приставки «пред». Последующие эксперименты их не подтвердили, и они были забыты так же прочно, как и рядовые неудачные предсказания. С примерами на эту тему нам еще предстоит встретиться, а пока обратимся к рассказу о более счастливых ситуациях.

На роли патриархов физики элементарных частиц наряду с электроном претендуют, по крайней мере, еще две частицы — фотон и протон. Помимо многих и весьма разнообразных заслуг перед наукой, они представляют собой превосходные образцы объектов, предоткрытых задолго до непосредственного экспериментального обнаружения.

В последние десятилетия прошлого века было установлено, что поверхности любых металлов способны испускать поток отрицательно заряженных лучей не только под действием разности потенциалов, но и при сильном их разогреве или при падении на их поверхность света. Эти явления были названы термоэлектрическим и фотоэлектрическим эффектами соответственно. Сразу же вслед за разгадкой природы катодных лучей исследователи доказали, что оба указанных эффекта тоже сводятся к испусканию потока электронов.

Таким образом, на пороге XX века в физику вошло довольно ясное представление об электроне как о непременной составляющей структуры вещества. Действительно, практически любой доступный экспериментатору образец вещества можно было заставить испускать поток электронов, подействовав одним из трех факторов: разностью потенциалов, теплом или светом. В общем, была понятна и роль каждого из этих факторов — они представляли собой просто разные способы сообщить электрону, заточенному в веществе, некоторую энергию, необходимую для его вызволения. Но разве физики могут удовлетвориться только таким, чисто качественным объяснением! Необходимо было согласовать основные закономерности всех эффектов с существовавшей в то время теорией. Но именно на этом пути исследователи столкнулись с неожиданными и, казалось бы, непреодолимыми препятствиями.

Надо сказать, что как раз на рубеже столетий произошло крайне важное для теоретической физики событие — окончательно оформилась классическая электродинамика, претендовавшая на полное и последовательное описание электрических и магнитных явлений. Великая заслуга создателей этой науки — английских физиков М. Фарадея и Дж. Максвелла состояла в том, что они ввели в рассмотрение новый объект, особое состояние материи — электромагнитное поле. Благодаря этому все известные электрические, магнитные и даже световые явления можно было свести к нескольким фундаментальным законам распространения электромагнитного поля в пространстве и его взаимодействия с электрическими зарядами. После того, как на арену физических исследований вышла первая элементарная частица — электрон, усилия теоретиков и экспериментаторов сосредоточились на поиске конкретных закономерностей его поведения под действием электромагнитного поля.

Этот пункт оказался своеобразным средоточием веры и надежды. Физики верили в классическую электродинамику, которая позволила единым образом описать десятки разрозненных фактов в блестящем согласии с опытными данными. Поэтому они вполне серьезно надеялись на успех теории и в применении к электронам. Дело было, конечно, не только в простой надежде на успех. Вопрос ставился принципиально: справится ли существующая теория с описанием взаимодействия электромагнитного поля с электроном — мельчайшей структурной составляющей вещества? Положительный ответ на этот вопрос оказался бы величайшим триумфом теории, а отрицательный — наносил непоправимый ущерб ее основам.

В такой ситуации подробное изучение фотоэффекта давало физикам исключительную возможность для экспериментальной проверки теоретических предсказаний. Согласно классической электродинамике свет представляет собой совокупность электромагнитных волн — именно в форме волн проявляется электромагнитное поле в этом случае. Всякую волну можно характеризовать, например, интенсивностью и частотой (или величиной, обратно пропорциональной частоте, — длиной волны). Чем интенсивней поле, тем больше энергии оно несет. Что же происходит во время фотоэффекта?

Чтобы вырвать с поверхности металла электрон, каким-то образом связанный с остальными элементами вещества, электромагнитная волна должна «накачивать его энергией» до тех пор, пока эта связь не порвется, то есть кинетическая энергия электрона превзойдет по абсолютной величине его потенциальную энергию. После этого электрон покидает образец вещества с некоторой скоростью. В такой картине ясно, что чем интенсивней свет, тем большую энергию способен он передать электрону и тот будет вылетать из образца с большей скоростью.

Между тем экспериментальные данные по фотоэффекту давали совсем иную, весьма странную с точки зрения электродинамики картину. Начнем с того, что от интенсивности света, падающего на образец вещества, зависело только количество вылетающих электронов. Чем более интенсивный источник света использовался в опыте, тем больше электронов вылетало, тем сильней был вызываемый ими ток, регистрировавшийся специальным устройством. Скорость же электронов (или их кинетическая энергия) зависела только от длины волны падающего света! Удивительная ситуация — в результате облучения металлического образца, скажем, синим светом, электроны вылетали бы со значительно большими скоростями, чем в случае облучения красным светом. Но какова связь между окраской света и энергией, которую он передает электронам?

Известно было, что электромагнитные волны, соответствующие красному цвету, имеют большую длину волны, чем «синие» волны, то есть меньшую частоту. Но опять-таки классическая электродинамика не могла уловить связь между частотой и энергией.

Создалось весьма странное положение. С одной стороны, перед физиками лежала простая закономерность, добытая опытным путем: кинетическая энергия вылетающих электронов пропорциональна частоте света, которым облучают образец вещества. С другой стороны — превосходная теория, объяснившая десятки гораздо более сложных явлений, здесь, в простейшем, казалось бы, но чрезвычайно важном случае, совершенно бессильна… Естественный и очень красивый выход был предложен в 1905 году двадцатишестилетним А. Эйнштейном.

Этот год стал звездным не только для скромного клерка Швейцарского патентного бюро, успевшего буквально за несколько месяцев написать основополагающие статьи по квантовой теории и теории относительности, но и для всей физики XX века. Одна из этих статей и была посвящена разрешению загадок фотоэффекта.

А. Эйнштейн предположил, что поток электромагнитного излучения, падающий на поверхность вещества, можно представить как совокупность отдельных частиц — световых квантов; причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте света или, что то же самое, обратно пропорциональна длине волны. Это была воистину революционная идея, так как очень уж трудно совместить друг с другом противоположные представления — непрерывная, плавно меняющаяся в пространстве волна и поток частичек, несущих определенные энергию и импульс и занимающих каждая небольшую область пространства…

Каждый из вас, наверное, наблюдал такую приятную картину. Ленивая волна набегает на берег. В песке лежит небольшой камень, набегающая волна раскачивает его, камень сначала немного сдвигается в сторону берега, потом возвращается вместе с водой. Через некоторое время волны могут либо окончательно вытолкнуть его на берег, либо утащить с собой на «дно морское». Но вот подбежал мальчишка-озорник и швырнул горсть камешков в сторону моря. Они не долетели до воды, врезались в самую кромку волн. Представьте себе, что камешки были брошены довольно сильно и один из них попал в тот самый камень, за колебаниями которого вы так долго следили. От сильного удара он сорвался с места и сразу же исчез под водой.

Нечто подобное должно было происходить и при падении света на вещество. Вместо длительного раскачивания электрона — мгновенное соударение, в котором квант света (это и есть новая элементарная частица) передает электрону энергию, необходимую для того, чтобы тот порвал связи с атомом и вылетел на свободу. Так получается потому, что электрон очень мал и «чувствует» зернистую структуру электромагнитного излучения, прерывистость электромагнитного поля. Когда же мы рассматриваем задачу о падении электромагнитных волн на большой и тяжелый объект, картина снова будет соответствовать представлению о непрерывном, плавно меняющемся поле.

Гипотеза световых квантов, несмотря на резкое противоречие с классической электродинамикой, не только утвердилась в физике, но вскоре стала применяться при описании механизма излучения атомом. Непосредственного доказательства существования новых частиц — световых квантов — пришлось дожидаться около 20 лет, но это не были годы пассивного ожидания. Можно без всякого преувеличения сказать, что эйнштейновская модель вынесла на своих плечах весь первый период развития квантовых идей.

Прямая экспериментальная регистрация квантов света (более широко — квантов электромагнитного поля!) произошла в процессе исследования рентгеновских лучей. Как мы помним, примерно к 1912 году была доказана их электромагнитная природа. Однако при рассеянии веществом рентгеновские лучи обнаруживали несколько странное поведение — часть рассеянных волн имела меньшую частоту. Эффект уменьшения частоты (или увеличения длины волны) был найден уже в 1913 году, и это был еще один факт, противоречащий классической электродинамике, не допускавшей, чтобы рассеяние волн сопровождалось такого рода изменениями. Через 9 лет молодой американский физик А. Комптон, тщательно исследовавший странное явление, пришел к выводу, что наблюдаемое уменьшение частоты связано с потерей импульса световыми квантами в результате соударений с электронами. Тем самым было доказано, что квант, как и любая другая частица, несет и энергию и импульс.

А. Комптон придумал для новых частиц отличное название — фотоны. С тех пор сдвиг длины волны рассеянного излучения именуется «эффектом Комптона».

Не менее интересна и история предоткрытия, а потом и экспериментального обнаружения третьего патриарха микромира — протона. В этой истории удивительно сильно сконцентрированы все надежды и достижения первопроходцев физики элементарных частиц.

Четкая формулировка исходной гипотезы о существовании некой частицы, несущей положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, но имеющей примерно в 1840 раз большую, чем у электрона, массу, принадлежит Э. Резерфорду. Она логически неизбежно вытекала из результатов работ по классификации известных атомных ядер. Все они выстраивались в последовательную цепочку по величине электрического заряда, который, в свою очередь, соответствовал порядковому номеру вещества в периодической системе элементов Д. Менделеева. Таким образом, ядро атома водорода, несущее единичный положительный заряд, должно было представлять собой элементарный объект, который одновременно играл роль строительного кирпичика для остальных ядер.

Гипотеза Э. Резерфорда была настолько естественна и остальные параметры этой, названной протоном, частицы были вычислены до того надежно, что, пожалуй, ни у кого и не должно было возникнуть серьезных сомнений в ее существовании. Прямая же экспериментальная регистрация новой частицы состоялась только через несколько лет, в 1925 году.

Вскоре после открытия атомных ядер Э. Резерфорд поставил перед своей лабораторией труднейшую задачу — вызвать искусственную радиоактивность, обстреливая ядра альфа-частицами.

Действительно, если ядра способны к самопроизвольным превращениям, в результате которых происходит испускание, например, тех же альфа-частиц (так называемая естественная радиоактивность), то почему нельзя добиться аналогичных превращений искусственно, с помощью подобающих «мер внушения»?

Сам Э. Резерфорд предпринял, начиная с 1919 года, ряд попыток расщепить ядро; но полученные им данные не были достаточно убедительны. Тогда эстафету учителя принял представитель старой резерфордовской гвардии П. Блэккет.

Изучая рассеяние альфа-частиц на азоте, П. Блэккет блестяще справился с предложенной проблемой. Но новая элементарная частица не очень-то стремилась к саморекламе. В процессе ее поиска ему пришлось пересмотреть более 20 тысяч фотографий, где было зарегистрировано около полумиллиона траекторий одних только альфа-частиц. И лишь среди них он сумел отыскать восемь редких событий: ядра азота захватывали альфа-частицу и превращались в ядра кислорода, испуская протон!

Так на физическую сцену вышел главный герой современной физики высоких энергий — протон. У него пока почти все впереди. Он еще доставит десятки бессонных ночей экспериментаторам, теоретикам, конструкторам уникальных приборов. Одно упоминание о нем будет приводить в трепет правительственные комиссии по финансированию науки. И в довершение всего он окажется на редкость «неблагодарным» — первым из представителей микромира подаст глубоко обоснованный протест по поводу столь привычного и безобидного прилагательного «элементарный». Но все это впереди, а пока нам необходимо в корне пресечь одно назревающее недоразумение.

Только что было сказано, что протон обнаружился при просмотре фотографий. А можно ли сделать фотопортрет элементарного объекта, размеры которого примерно в сто тысяч раз меньше атома? Любой начинающий фотолюбитель скажет, что этого не может быть. И окажется вполне прав, хотя… портреты протона все-таки существуют.

Фотопленка фиксирует, конечно же, не самих героев микромира, а следы, которые они оставляют в том или ином веществе, и которые, как правило, видны даже невооруженным глазом. Но наши герои — великие конспираторы: они никогда не оставляют следов где попало. Поэтому вещество, в котором мы хотим зафиксировать движение микрочастиц, должно быть приведено в особое состояние и реагировать на появление долгожданных гостей так, чтобы глаза или фотоаппарат могли уловить эту реакцию. В общем, это напоминает устройство специальных полос разрыхленной земли вдоль государственных границ — любой пешеход-нарушитель поневоле должен оставить свою «визитную карточку».

А теперь нам снова придется взглянуть на события достославного 1897 года. Взглянуть для того, чтобы исправить небольшую неточность и сказать: это не просто дата рождения электрона, а дважды юбилейный год, ибо тогда был создан прибор, который сами же физики называли «уникальным окном в ядерный мир».

Итак, в 1897 году двадцативосьмилетний физик Ч. Вильсон, исследовавший проблему конденсации облаков из водяного пара, открыл интересный эффект. Известно, что в воздухе, перенасыщенном водяными парами, мельчайшие частички пыли становятся центрами конденсации влаги. Из огромного количества таких центров формируются симпатичные белые облачка и устрашающие «свинцовые» тучи. Ч. Вильсон обнаружил, что после достаточно полной очистки воздуха роль пылинок начинают играть заряженные частицы, например, ионы, вокруг которых охотно образуются капельки воды. Отсюда немедленно следовала идея прибора — регистратора невидимок.

В сосуде, снабженном поршнем, создавалось насыщение водяного пара, затем с помощью поршня резко менялось давление и достигался нужный уровень перенасыщения, а в такой ситуации попадавшие внутрь заряженные частицы оставляли следы — полоски тумана. Так родилась знаменитая «камера Вильсона». Вскоре она была использована для исследования характеристики электрона, сослужила добрую службу в выяснении природы радиоактивности и, наконец, помогла П. Блэккету открыть протон.

Физика элементарных частиц родилась в процессе исследования всевозможных загадочных излучений. Поиски разгадок, несомненно, принесли замечательные плоды, но эти плоды не имели даже привкуса окончательной ясности и не сулили вкусившему их долгожданной радости. Катодные лучи — поток электронов? Очень хорошо! А почему электрон несет заряд, составляющий 1,6021892 ∙ 10^-19 кулона? Почему электрический заряд протона по абсолютной величине с поразительной точностью совпадает с зарядом электрона, тогда как масса протона в 1836,15152 раза больше?

И конечно, существует множество других трудных вопросов, появившихся вместе с первыми частицами и до сих пор не имеющих ответа.