Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц

Глава 1 Электронно-лучевая трубка: рентгеновское излучение и электрон

Наша история начинается в 1895 году. Германия, лаборатория в Вюрцбурге… Тогдашние лаборатории были не очень похожи на чистые белые пространства, в которых работают современные ученые. Здесь были красивые паркетные полы и впечатляющие высокие окна, выходящие на парк и виноградники напротив. Физик Вильгельм Конрад Рентген закрыл ставни и вернулся к своей работе. На длинном деревянном столе он установил стеклянную трубку размером с небольшую винную бутылку, из которой с помощью вакуумного насоса была удалена большая часть воздуха[2]. От металлических электродов отходили провода – один в конце трубки (отрицательно заряженный катод) и один примерно посередине (положительно заряженный анод). При подаче высоковольтного электричества внутри появлялось свечение – так называемые катодные лучи, которые и дали трубке название[3]. Пока все шло так, как Рентген и ожидал. Затем краем глаза он заметил маленький светящийся экран на другой стороне лаборатории.

Он подошел к экрану. Экран с люминофорным покрытием излучал зеленый свет. Когда Рентген выключил электроннолучевую трубку, свечение исчезло. Когда снова включил, оно вернулось. Может быть, это просто обман зрения, отражение света от светящейся электронно-лучевой трубки? Он накрыл трубку черным картоном, но обнаружил, что экран по-прежнему светится. Рентген никогда раньше не видел ничего подобного, но посчитал свою находку важной.

С этого момента физика уже никогда не будет прежней. Это первое случайное наблюдение вывело эксперименты с использованием электронно-лучевых трубок и физику в целом на совершенно новую территорию, перевернув принятые веками представления о природе. Со временем электроннолучевая трубка приведет к появлению технологий, которые изменят образ жизни, работы и общения людей. Все началось здесь, в Вюрцбурге, с этого светящегося экрана и любопытства одного человека.

Вильгельм Рентген, как и большинство ученых по всему миру в конце XIX века, согласился с тем, что физика почти разгадана. Вселенная создана из материи, которая состоит из «атомов». Было выяснено, что существуют различные типы атомов, которые соответствуют различным химическим элементам. От деревьев до металлов, от воды до меха – все разнообразие окружающего нас материального мира отличается твердостью, цветом и текстурой, потому что все построено из разных атомов, которые ученым представлялись крошечными сферическими деталями вроде Lego. Будь у вас правильная инструкция, вы могли бы взять определенный набор атомов и создать все, что захочется. Физики также знали, что существуют силы, благодаря которым все взаимодействует. Гравитация удерживает звезды в нашей галактике и заставляет Землю вращаться вокруг Солнца. Даже таинственные силы электричества и магнетизма в конце концов были объединены в единую силу – электромагнетизм. Вселенная стала предсказуемой: если вам известен принцип работы внутренних механизмов и вы приводите их в движение, то можете с точностью предсказать поведение всей материи.

Теперь оставалось исследовать только детали – например, то, как именно работает электронно-лучевая трубка. Одна из немногих мелочей, которые ученые не могли до конца объяснить. Конечно, выдвигались разные теории, в том числе идея о том, что свечение внутри связано с колебаниями гипотетического эфира – среды, через которую, как считалось, свет распространяется почти так же, как звук передается по воздуху. Но, исследуя особенности электронно-лучевой трубки, Рентген столкнулся с трудностями: мало того, что внутри трубки происходит что-то необъяснимое, так еще и снаружи обнаружился странный эффект.

В детстве Вильгельм казался обычным ребенком. Сын торговца тканями, он любил исследовать природу в сельской местности и лесах[4]. Единственное, в чем у него действительно были незаурядные способности, – создание механизмов[5], и это оказалось весьма полезным для его дальнейшей экспериментальной работы. Когда Рентген стал взрослым, его темные волосы постоянно вставали дыбом на лбу, «как будто он постоянно был наэлектризован собственным энтузиазмом»[6].

Рентген был застенчивым человеком, читал лекции невыносимо тихим голосом, был строг со своими студентами и даже испытывал легкий дискомфорт при мысли о том, что в его лаборатории будут ассистенты. Но он искренне любил науку, иногда цитируя великого инженера Вернера фон Сименса, который сказал: «Интеллектуальная жизнь порой доставляет нам, возможно, самую чистую и высшую радость, на которую способен человек».

И вот Рентген обнаружил то, чего раньше никто не видел. Когда он заметил странный светящийся экран, то предположил, что смотрит не на тот же «луч», который заставлял светиться электронно-лучевую трубку, поскольку этот эффект, казалось, заключен внутри трубки. Он нашел новый вид невидимого луча, который мог простираться гораздо дальше. Рентген сразу же направил все свое время и энергию на дальнейшие исследования. Когда позже его спросили, что он в то время думал, он сказал: «Я не думал, я исследовал».

Он расставил несколько подобных трубок по лаборатории[7], методично и тщательно настраивая каждую, чтобы определить природу новых лучей. Он помещал различные материалы между трубкой и люминофорным экраном, опробовав бумагу, дерево и даже твердую резину. Лучи проходили сквозь них, почти не ослабевая. Когда Рентген направил лучи через толстую деревянную дверь в соседнюю лабораторию, он смог их обнаружить с другой стороны. Только когда он поместил алюминиевую фольгу перед трубкой, лучи, казалось, проникли сквозь нее с трудом.

Рентген провел семь напряженных недель в своей лаборатории, его жена Анна Берта время от времени напоминала ему, что надо поесть. На этом их общение заканчивалось: Рентген работал почти полностью в одиночку и молчал о своих исследованиях. Он ничего не сказал своим помощникам, не говоря уже о зарубежных коллегах, хотя знал, что, если не объявит о своем открытии первым, сотни других ученых, проводивших аналогичные эксперименты в своих лабораториях, опередят его. Только однажды Рентген сказал о своей работе хорошему другу: «Я обнаружил кое-что интересное, но не знаю, верны ли мои наблюдения»[8].

Затем он поставил руку на пути лучей и сообщил: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, видна темная тень костей на фоне чуть менее темного изображения самой руки…». Он использовал лучи, чтобы сделать изображение руки жены на фотографической пластинке, что подтвердило его мысль: лучи легко проходят через кожу и плоть, но не так легко – через кость или металл. Кости руки и обручальное кольцо темнели на фоне плоти, которую мы обычно видим глазом. Способность блокировать новые лучи была связана с плотностью объекта. Согласно легенде, когда Анна Берта увидела кости своей руки, она воскликнула: «Я видела свою смерть!» – и никогда больше нога ее не ступала в лабораторию мужа.

Оставалось дать новым лучам название. В науке мы обычно обозначаем неизвестное буквой X, и поэтому Рентген придумал, возможно, лучший непреднамеренный брендинг в истории физики. Он назвал свое новое открытие икс-излучением.

Убедившись, что понимает, как работают икс-лучи, Рентген встал перед выбором. Должен ли он запатентовать идею и опубликовать свои результаты или проделать дополнительную работу до заявления о своем открытии? Его все еще интересовало многое – например, как эти лучи связаны со светом и материей, из чего они сделаны и как формируются. Он решил, что больше не может откладывать объявление: вероятность того, что кто-то другой найдет икс-излучение, слишком высока.

Если он опубликует открытие до подачи заявки на патент, он никогда не заработает на нем никаких денег, если оно окажется полезным в медицине. Но Рентген был физиком, а не врачом, поэтому не знал, заинтересует медиков его идея или нет. Он решил, что лучше всего опубликовать свое открытие и сообщить о нем медицинскому сообществу.

Преодолев свою обычную застенчивость, 23 января 1896 года Рентген установил тяжелый стол для своего эксперимента в лекционном зале Вюрцбургского физико-медицинского общества, всего в нескольких минутах ходьбы от его лаборатории. Толпа уже разузнала о его открытии из газетных статей, в зале было так много народу, что люди стояли даже в проходах. Рентген прочитал первую в истории лекцию о том, что он обнаружил. Он показал аудитории, как икс-лучи могут проходить через дерево и резину, но не через металл. Он показал им фотографию руки Анны Берты и рассказал о своей идее использовать такие снимки, чтобы заглянуть внутрь человеческого тела. Чтобы довести дело до конца, он решил продемонстрировать, насколько легко можно сделать подобный снимок.

Стоя перед залом, он пригласил президента общества, известного анатома, поместить свою руку на пути лучей. Рентген включил электронно-лучевую трубку и сделал снимок руки президента. Присутствовавшие врачи были поражены. Они сразу же поняли ценность этого открытия, а президент был настолько впечатлен, что вместе с толпой трижды прокричал «ура». Они даже предложили назвать новые лучи в честь Рентгена[9].

Слухи об этом новом явлении распространялись по всему миру как лесной пожар, вызывая восхищение, страх и даже вдохновляя поэтов. Книги Жюля Верна о путешествии к центру Земли уже вовсю захватили воображение публики, а теперь Рентген обнаружил возможность заглядывать внутрь человеческого тела. Это привело к некоторым интересным заблуждениям – например, о том, что с помощью рентгеновских лучей можно заглядывать под женскую одежду (про заглядывание под мужскую одежду не упоминалось). Предприниматели того времени начали продавать свинцовое нижнее белье, защищающее от рентгеновского излучения, по-видимому, только для женщин, а «рентгеновские очки» были запрещены в нескольких оперных театрах, несмотря на то что таких очков не существовало. Философы же опасались, что рентгеновские лучи могут заглянуть в самую сущность человека.

У сотен ученых по всему миру уже были электронно-лучевые трубки – стандартное оборудование в физических лабораториях. Так что сначала они подтвердили открытие Рентгена, а затем приступили к запуску трубок в работу – и все это в течение нескольких месяцев. В течение года после открытия, в 1896 году, рентгеновские лучи использовались для обнаружения переломов костей и осколков в телах солдат на полях сражений в войне между Италией и Абиссинией, а в Королевской больнице Глазго впервые в мире открыли рентгенологическое отделение.

Предприниматели извлекали выгоду из возможностей рентгеновских лучей в других целях. Популярным в то время был «педоскоп», который делал рентгеновские снимки ног клиентов, пока они примеряли обувь, но позже эта практика была прекращена – когда стали появляться доказательства того, что рентгеновские лучи могут вызывать повреждение кожи или тканей. К этой теме мы вернемся позже. Сам Рентген предложил другое применение, сделав снимок металлических гирек внутри непрозрачной коробки, чтобы показать их потенциальное использование в промышленности. Так первые «рентгенограммы» проложили путь к современным сканерам безопасности, которые можно найти в аэропортах.

Поскольку Рентген решил не патентовать свое открытие, чтобы не препятствовать его медицинскому применению, он не получал никакого дохода от своего изобретения. Он мудро оставил ответственность за разработку этих методов на медицинских работниках, заявив, что слишком занят другими своими исследованиями, но продолжал предлагать свою помощь там, где это было необходимо.

Рентген может показаться странным персонажем: «одинокий гений», сделавший «случайное открытие». В конце концов, любой, кому посчастливилось иметь поблизости люминофорный экран, мог открыть это излучение. Но если мы посмотрим немного внимательнее, то увидим, что здесь задействованы и другие факторы. У него был доступ к большой сети экспертов по всему миру, много лет экспериментальной практики и необычайное терпение и смирение. Когда он заметил светящийся экран, у него хватило мудрости осознать значение своего открытия, и любопытства, чтобы копнуть глубже.

В начале 1897 года в Кембридже, Англия, Джозеф Джон («Джей Джей») Томсон, директор-основатель крупнейшей в мире физической лаборатории, попытался разрешить двадцатилетний спор. Он решил сосредоточиться не на рентгеновских лучах снаружи трубки, а на том, что из себя представляют катодные лучи внутри трубки.

Томсон придерживался непопулярной гипотезы. Он считал, что катодные лучи представляют собой некую корпускулу или частицу. Это противоречило мнению Рентгена, который вместе со своими немецкими коллегами считал, что катодные лучи нематериальны, это форма света[10]. Томсон использовал имеющиеся в его лаборатории трубки для изучения процесса протекания электрического тока в газах, но теперь он принялся за новые эксперименты, чтобы ответить на вопрос: какова природа катодных лучей?

Томсон был застенчивым сыном манчестерского книготорговца. В 11 лет мальчик объявил о своем намерении заняться собственными исследованиями. Откуда взялось это не по годам серьезное желание, неясно. Когда Томсону было всего 16, его отец скончался, не оставив сыну денег на образование. Поскольку стипендий по физике не выделялось, Томсон поступил в Тринити-колледж Кембриджа, чтобы изучать математику. Его спокойное чувство юмора, часто выражающееся в мальчишеской усмешке, в сочетании с непоколебимой уверенностью в своих способностях пугали многих его сокурсников, вселяя в них почти благоговение[11].

В возрасте 27 лет Томсон был назначен профессором и руководителем Кавендишской лаборатории в Кембридже. Он был невысоким, с черными волосами, которые он разделял на прямой пробор, и торчащими усами. И очень мало интересовался своим внешним видом. Кто-то из друзей позже вспоминал, как его галстук-бабочка иногда задирался к уху, пока Томсон кружил по лаборатории, пребывая в блаженном неведении. Его домашняя жизнь была ничем не примечательна, но когда дело доходило до размышлений о природе материи и Вселенной, тут Томсон становился настоящим революционером.

Он начал свои исследования с тщательного повторения экспериментов тех, кто был до него. Во-первых, Томсон хотел установить, что катодные лучи и электрический заряд, который они несут, не могут быть разделены. Магнитом он изгибал катодные лучи, направляя их в электроскоп – устройство для оценки электрического заряда. Был зарегистрирован удивительно большой отрицательный заряд[12], подтвердивший его мнение о том, что лучи действительно несут электрический заряд.

Затем он повторил этот эксперимент, пытаясь искривить лучи электрическим полем, используя напряжение, удерживаемое между двумя пластинами, которые его помощник установил внутри специально сконструированной вакуумной трубки. Лучи – будь они частицами, как он думал, – должны были отклоняться под воздействием напряжения. Если же лучи представляют собой свет, то отклонения быть не должно, точно так же, как свет от фонарика беспрепятственно проходит сквозь напряжение.

Томсон предполагал, что при меньшем напряжении катодные лучи будут меньше отклоняться, чем при большем. Генрих Герц, немецкий физик, который ранее открыл электромагнитные волны, провел тот же эксперимент до Томсона и обнаружил, что, хотя большие напряжения отклоняют лучи, меньшие напряжения, по-видимому, не оказывают никакого эффекта. Когда Томсон впервые воспроизвел этот эксперимент в своей лаборатории, он был разочарован, получив те же результаты, что и Герц. Все выглядело так, будто катодные лучи действуют как частицы при больших напряжениях и как свет при более низких напряжениях, что немало препятствовало гипотезе Томсона об истинной природе катодных лучей.

Томсон продолжал экспериментировать, пытаясь понять, что же он видит. Сначала он изменил тип газа в трубке, но результат остался тем же. Затем он попробовал изменить количество газа, уменьшив его для получения низкого вакуума, и получил новый результат: он увидел небольшие отклонения луча при небольшом напряжении и большие отклонения при большом напряжении, как и ожидал. Чтобы удостовериться, Томсон снова пустил немного газа – и небольшие отклонения снова исчезли. Небольшое количество газа, оставшегося в трубке, становилось электрически заряженным, подавляя небольшое напряжение, в результате чего катодные лучи просто на него не реагировали в присутствии газа. Вот причина результатов Герца и разочарований Томсона. Как позже физик писал в своих мемуарах: «Пока техника чувствительных приборов, используемых в физических лабораториях, не до конца освоена, в один день они могут дать один результат и совершенно противоречивый – в другой. Что иллюстрирует истинность высказывания о том, что закон постоянства природы невозможно изучить в физической лаборатории»[13].

Все эти результаты позволили Томсону заключить, что «путь лучей не зависит от природы газа»[14]. Другими словами, демонстрируемые им эффекты были вызваны не газом в трубке. И это не просто потоки заряженных молекул газа, как утверждали другие. Здесь было что-то куда более сложное. Это побудило Томсона выдвинуть ключевой аргумент: все эти результаты возможны в том случае, если лучи действительно являют собой отрицательно заряженные частицы.

Оставалось только показать, что это за частицы: атомы, молекулы или что-то еще. Чтобы это понять, Томсон использовал электрическое и магнитное поля для определения их заряда и массы, в частности, их отношения e/m. Это оказалось гораздо большим числом, чем он мог ожидать. Такой загадочный результат не соответствовал ни одному известному атому или молекуле, которые, как тогда считали, были мельчайшими составляющими природы. У Томсона было два возможных объяснения: либо частицы были «тяжелыми», как атомы, с чрезвычайно большим отрицательным электрическим зарядом, либо они были очень легкими, со стандартным отрицательным электрическим зарядом. Ни один из вариантов не казался Томсону привлекательным. Если бы частицы были атомами с очень большим электрическим зарядом, ему бы пришлось полностью переосмыслить само понятие заряда. С другой стороны, если частицы на самом деле легкие, это значит, что атом – вовсе не неделимая элементарная частица.

Томсон изменил почти все переменные, какие только мог придумать, использовал разные газы в трубке, разные металлы для электродов и снова менял уровень вакуума. Каждый эксперимент приводил к тому же результату – новой частице того же типа с таким же большим отношением заряда к массе. В своих рассуждениях о природе частиц он использовал знания о химических экспериментах, о наблюдениях за спектром света от звезд и даже о конфигурациях магнитов. Медленно, но верно Томсон отклонялся от идеи о том, что частицы представляют собой атомы с очень большим зарядом. Он был готов объявить о своих результатах.

Это был интеллектуальный триумф. Томсон углубился в таинственное свечение катодных лучей и пришел к новому выводу о природе материи. К октябрю того же года он совершил еще один прорыв: мало того что катодные лучи состояли из крошечных частиц, но эти частицы были неизвестным до сих пор компонентом материи, который разрушил представление об атомах как о мельчайшей неделимой частице. Томсон еще не был уверен, откуда берутся электроны, но полагал, что они почти наверняка удерживаются атомами. Учитывая доказательства, даже Рентген и его немецкие коллеги были вынуждены признать, что Томсон прав. Итак, Рентген и Томсон, используя одно и то же оборудование, открыли два совершенно новых аспекта природы, никем прежде не замеченные.

Теперь мы можем собрать их идеи воедино, чтобы объяснить, что происходило внутри электронно-лучевой трубки. Высокое напряжение на катоде с высокой скоростью испускает электроны, которые притягиваются к положительно заряженному аноду. Но некоторые электроны, не попадая на анод, пролетают мимо него с высокой скоростью и врезаются в газ и стеклянную стенку, и энергия, передаваемая во время этого процесса, создает свет – то самое свечение, которое десятилетиями озадачивало ученых. Этот процесс называется «тормозное излучение». Если электроны теряют достаточно энергии, они создают рентгеновские лучи – высокоэнергетическую форму света, электромагнитное излучение, способное проходить сквозь руки (и другие части тела).

В отличие от рентгеновских лучей, полезность открытия Томсона в то время не была очевидна. Томсон сам задавался вопросом, может ли такая маленькая, несущественная вещь, как электрон, представлять интерес вне физики. В начале 1900-х годов на ежегодной вечеринке в Кавендишской лаборатории, где он сделал это открытие, был произнесен шутливый тост: «За электрон, пускай он никогда никому и не пригодится!»[17] Однако через 20 лет после своего открытия Томсон прочитал еще одну пятничную лекцию в Королевском институте, на этот раз на тему «Промышленное применение электронов», и, оглядываясь назад, мы видим, что его открытие стало основой всей электроники.

Как это произошло? Конечно, на первый взгляд все довольно логично, поскольку электроника, как следует из названия, зависит от движения электронов. Но имело ли к этому какое-то отношение открытие Томсона? Нуждались ли мы в его исследованиях или электроника все равно возникла бы? Чтобы понять взаимосвязь между любопытством Томсона и революцией в электронике, мы должны оценить контекст его работы.

В Музее науки в Лондоне есть постоянная галерея под названием «Создание современного мира». В скромной витрине выставлено несколько стеклянных предметов с лаконичными пояснительными надписями. Один из таких предметов – оригинальная электронно-лучевая трубка, использованная Дж. Дж. Томсоном при открытии электрона. В той же витрине можно увидеть первую лампочку, а с другой стороны – два странного вида объекта, называемые вентилями Флеминга, которые выглядят как лампочки с тремя штыревыми ножками. Эта витрина представляет краткую историю изобретения электроники.

Витрина неподалеку посвящена другому известному изобретателю – Эдисону. В 1880 году, пока ученые, подобные Томсону, корпели в своих лабораториях над электронно-лучевыми трубками, Эдисон и его помощники наткнулись на аналогичную технологию в своих попытках создать электрические лампы. В это время Эдисону было 33 года, он был на девять лет старше Томсона и придерживался совершенно иного подхода, чем ученые-экспериментаторы, поскольку им двигали другие мотивы, а именно желание получить деньги за свои изобретения. Вместо того чтобы подробно изучать физику электрических лампочек, команда Эдисона просто перепробовала огромное количество материалов и конфигураций, применив своего рода метод грубой силы. Большинство лампочек сгорали почти сразу, но один из членов команды, Льюис Латимер, афроамериканский изобретатель, изготовил лампочку с использованием угольной нити, которая могла работать около пяти часов[18].

Однако возникла проблема: стеклянная поверхность колбы чернела, когда лампа работала, будто бы частицы углерода «переносились» от нити к стеклу. Несмотря на изменения уровней вакуума, насколько это было возможно, лампочки продолжали перегорать. Теперь мы знаем, что дело в испарении материала с поверхности нити накаливания, но тогда Эдисон этого не знал. В одной из попыток решить проблему он попробовал поймать частицы углерода, поместив в колбу дополнительный электрод, и случайно обнаружил, что это вызывает протекание электрического тока, но только в одном направлении. Это не решило проблему почернения, но устройство, казалось, управляло потоком электричества, как клапан управляет потоком воды. Изобретатель назвал это явление «эффектом Эдисона». Его не интересовало, как управляется поток электрического тока, – ему было достаточно знать, что такой эффект есть. Эдисон получил патент на «лампу накаливания, работающую на эффекте Эдисона», а затем отбросил эту идею, так как не видел ей применения. Он продолжил свою работу над лампочками, внося небольшие улучшения, в конечном итоге продлившие срок службы угольной нити до 600 часов, чтобы лампы стали коммерчески жизнеспособными. Что касается «лампы накаливания Эдисона», то, когда кто-то позже поинтересовался, как она работает, он сказал, что у него нет времени углубляться в «эстетическую» часть своей работы[19].

Однако время на эстетику – принципы, лежащие в основе работы, – было у Джей Джей Томсона. В 1899 году, всего через два года после открытия электронов, Томсон доказал, что нити накаливания в лампочках испускают электроны точно так же, как электронно-лучевые трубки. При нагреве нити накаливания происходил выброс электронов в процессе, который мы теперь называем термоэлектронной эмиссией. Это сильно отличалось от испарения нити накаливания и послужило ключом к раскрытию эффекта Эдисона. Казалось бы, бесполезное изобретение Эдисона оставалось неиспользованным в течение почти двух десятилетий, пока работа Томсона наконец не показала, как дополнительный электрод заставляет ток течь. Когда электрод заряжен положительно, он притягивает поток электронов через вакуум и замыкает цепь, но при отрицательном заряде он отталкивает электроны и отключает ток. С этим пониманием изобретение Эдисона могло бы найти применение в быстро развивающемся мире.

Следующий этап нашей истории восходит к 1904 году и работе в Marconi’s Wireless Telegraph Company – телеграфной компании, где зарождались радио и телекоммуникация. Чтобы заставить телефон работать, британскому физику Джону Амброзу Флемингу нужно было преобразовать слабый переменный ток в постоянный[20]. Он столкнулся с эффектом Эдисона в 1889 году, когда работал консультантом в компании Edison and Swan United Electric Light Company[21]. Слабых сигналов, излучаемых радиопередачами, было достаточно для того, чтобы спровоцировать включение и выключение тока. Эта связь внезапно натолкнула Флеминга на идею, и позже он писал: «К моему удовольствию я… обнаружил, что в этой своеобразной электрической лампе кроется наше решение…»

Знания об электронно-лучевой трубке и угольной лампе привели к изобретению первого «термоэлектронного диода», или «вентиля Флеминга» – первого электронного устройства. Там, где электрические устройства подразумевают поток электронов по проводам, электроника подразумевает электроны, движущиеся в вакууме, которыми можно было быстро и легко управлять без механического движения более ранних электрических устройств. Изобретение Флеминга вызвало технологическую революцию. Несколько лет спустя американский изобретатель добавил третий электрод внутрь термоэлектронного диода, следуя теории Томсона[22]. К 1911 году «триод» использовался в качестве усилителя, а вскоре после этого потоки электронов в вакуумных лампах использовались в качестве осцилляторов, модуляторов электрических сигналов и многого другого. Благодаря этим чисто электронным устройствам затем появились радиосвязь и телекоммуникация на большие расстояния, радары и первые компьютеры. Зародилась электронная промышленность.

Важно ненадолго остановиться на двух различных подходах, показанных в этой истории. С одной стороны, подход, движимый любопытством Томсона, безусловно, оказался ключом к пониманию работы вакуумных ламп. Но у Томсона не было цели что-либо создавать – только знания. С другой стороны, метод проб и ошибок Эдисона окончился предпринимательским успехом. Но Эдисон не был заинтересован в детальном понимании того, как и почему эти технологии работают именно так. Флеминг смог в некотором смысле объединить эти два подхода и создать сложную технологию. Все они, несомненно, сыграли важную роль в становлении электронной промышленности, но все это было бы невозможно без ученых, проводящих эксперименты с электронно-лучевыми трубками без каких-либо коммерческих намерений.

Остальная часть истории рентгеновского излучения представлена всего в нескольких шагах от описанных выше витрин в Музее науки – в виде большой медицинской машины, ставшей реальностью благодаря электронной промышленности и рентгеновским лучам – спасительной технологии, известной как компьютерная томография (КТ).

До 1970-х годов, если пациенту требовалось сделать сканирование мозга, врачи выполняли так называемую пневмоэнцефалографию. В основании позвоночника или непосредственно в черепе просверливали отверстие, после чего откачивалась большая часть спинномозговой жидкости (ликвора). Затем в полости мозга закачивался воздух или гелий, чтобы создать пузырь между мозгом и черепом. Пациента пристегивали ремнями к вращающемуся креслу, ставя его в разные положения (например, вверх ногами и боком), чтобы пузырь воздуха перемещался в головном мозге и позвоночнике, пока делались рентгеновские снимки в каждом положении. И без того больной человек был вынужден терпеть ужасную боль и тошноту, причем часто процедура проводилась без анестезии. Все это делалось только для того, чтобы получить достаточный контраст на рентгеновском снимке и суметь отличить мозг от (теперь уже откачанной) мозговой жидкости. После этого мучительного опыта врачи изучали рентгеновские снимки, надеясь определить, была ли форма мозга слегка искажена из-за повреждений или наростов. Очень жестокая процедура. И все же это был единственный выход с 1919 по 1970-е годы.

В то время рентгеновские лучи давали только двумерные изображения. Представьте себе тело как коробку с жидкостью, в которой находится ряд объектов (кости, органы и мышцы): рентгеновский снимок с трудом увидит объект в середине такой коробки, так как со всех сторон что-то находится на пути лучей. Врачам трудно разобраться в 3D-структурах, отображаемых в 2D. Что действительно было необходимо, так это инновация, которая могла бы создавать правильное трехмерное изображение.

В 1960-х годах Годфри Хаунсфилд, сотрудник компании EMI (Electric and Music Industries), крупной британской корпорации, которая также занималась электроникой и другим оборудованием, искал новые области применения компьютеров и придумал инновационный способ их использования для улучшения рентгеновского аппарата. Его идея заключалась во вращении источника и детектора вокруг пациента для получения серии рентгеновских снимков, которые можно было бы затем реконструировать в цифровом виде с помощью компьютеров. Так создание полного 3D-изображения внутренней части тела стало возможным, а сам аппарат получил название «компьютерный томограф», или КТ[23].

Чтобы воплотить свою идею в реальность, Хаунсфилд сначала построил экспериментальную установку сканера мозга. Он отправился на местные скотобойни, где вырезал коровьи мозги для дальнейшего сканирования[24]. В интервью он затем писал с типичным британским юмором, что «сложнее всего было тащить [мозги] через весь Лондон в бумажном пакете»[25].

Его первые тесты с удивительной четкостью показали полное 3D-изображение внутренней органической ткани. Компьютерный томограф даже выявил мельчайшие различия в тканях, которые, по мнению Рентгена, было невозможно запечатлеть: на первых рентгеновских снимках ткани были прозрачными, но объединение нескольких изображений позволяло их увидеть. Для этого потребовались вычислительные мощности, вращающаяся установка и немного хитроумной математики, но метод сработал. Первый сканер испытывался в лондонской больнице Аткинсона Морли в 1971 году. Он состоял из специально сконструированной подвижной кровати, на которой пациент лежал, поместив голову в круглое отверстие со встроенным в него сканирующим оборудованием. На самом деле установка не сильно отличалась от того, как КТ выглядит сегодня.

Первой пациенткой, прошедшей сканирование в 1971 году, стала женщина с подозрением на опухоль в левой лобной доле. Компьютерная томография успешно выявила опухоль, а последующая операция восстановила здоровье пациентки. Тогда Хаунсфилд и его команда «прыгали, как футболисты, забившие победный гол»[26]. Он осознал значимость своей работы: его изобретение положило конец мучениям, связанным с анализом традиционных рентгеновских снимков черепа.

Хаунсфилд не остановился на сканере мозга, который был представлен миру в 1972 году, – он взялся за создание машины, которая могла бы раскрыть внутреннюю работу остального человеческого тела. К 1973 году первые компьютерные томографы установили в больницах Соединенных Штатов, а к 1980 году 3 млн компьютерных томографов было установлено по всему миру. Со временем компьютерные томографы стали настолько повсеместными, что к 2005 году ежегодно проводилось 68 млн сканирований.

С тех пор новые идеи привели к созданию изображений в реальном времени, сочетанию с другими методами визуализации (с которыми мы познакомимся позже) и первостепенному использованию КТ в отделениях неотложной помощи. В 1970-х годах для получения изображения требовалось около получаса, современные машины получают его менее чем за секунду. Были разработаны методы компьютерной томографии, которые помогают врачам перемещаться по сердцу в 3D-формате во время установки стентов, повышая вероятность успеха процедуры. Также при помощи компьютерной томографии изучается внутренняя структура органа, которую затем печатают на 3D-принтере для лучшего понимания того, что на самом деле происходит в организме пациента. Все это помогает планировать операцию и имплантацию без единого разреза на коже. Технологии и возможности продолжают совершенствоваться, особое внимание уделяется увеличению скорости сканирования, снижению дозы облучения и получению все более детальных 3D-изображений.

Путь от открытия рентгеновского излучения до современных компьютерных томографов занял более 70 лет. Для этого потребовалась серия изобретений, прорывов в математических методах и появление компьютеров. Вы можете найти ту или иную форму этой технологии практически в любой больнице мира. Если бы вы спросили врачей во времена Рентгена, как лучше изучить внутреннее строение человеческого тела, они бы просто предложили найти скальпель поострее. Революция в медицине многим обязана стремлению Рентгена и Томсона лучше понять, казалось бы, малоизвестную область физики. Это стремление привело к созданию совершенно нового инструмента и его усовершенствованию Хаунсфилдом и другими учеными.

Конечно, не только медицина выиграла от рентгеновских лучей. В следующий раз, когда будете проезжать через аэропорт, обратите внимание на рентгеновские аппараты для сканирования багажа: они тоже зародились в лаборатории Вюрцбурга.

Наш материальный и физический мир зависит от знаний о рентгеновских лучах. Компании, производящие нефтяные трубы и самолеты, мосты и лестницы, теперь используют рентгеновские снимки, чтобы убедиться, что их продукция соответствует стандартам. Рентгеновские лучи первыми обнаруживают, где образовалась трещина или появился пузырь воздуха, точно так же, как это было в оригинальных экспериментах Рентгена. Этот «неразрушающий контроль» – скрытая часть созданного человеком мира, но именно благодаря ему наши трубы редко лопаются, а самолеты редко падают с неба. «Неразрушающий контроль» – это постоянно развивающаяся отрасль стоимостью 13 млрд долл., а на рентгеновские лучи приходится около 30 % этого рынка.

Электронике потребовалось полвека, а рентгеновскому излучению – почти целое столетие, чтобы реализовать свой нынешний потенциал, но даже открытия, описанные в этой главе, – всего лишь малая часть всей истории. В своей полноте она охватывает столетия постепенного накопления знаний и технологий – от первой вакуумной камеры, созданной в 1643 году Эванджелистой Торричелли, до изобретения первого вакуумного насоса Отто фон Герике в 1654 году. Для создания точного, но в то же время деликатного устройства с хорошо герметичными соединениями для удержания вакуума требовались опытные стеклодувы. Было необходимо оборудование, которое могло бы обеспечить достаточно высокое напряжение, чтобы высвободить электроны из металлических катодов. Таким образом, полный процесс охватывает многие поколения, даже если кажется, что прорыв произошел в мгновение ока.

Просто удивительно, как эксперименты с электронно-лучевой трубкой, проведенные между 1895 и 1897 годами, расширили наше представление об электромагнитном спектре, разрушили идею о том, что атомы – мельчайшие частицы в природе, и привели к открытию первой субатомной частицы. Если бы кого-то попросили предсказать исход этих экспериментов, он бы совершенно точно не смог оценить их влияние на наши знания о физике. Но еще вероятнее, не получилось бы предсказать влияние этих открытий на общество.

Открытия Рентгена и Томсона объединяет и тот факт, что они были быстро внедрены в технологию. Обе идеи стали неотъемлемой частью инноваций в области электроники и медицинского оборудования в последующие десятилетия. Однако фундаментальные концепции, на которых основывались эти технологии, пришли не из промышленности. Они исходили от пытливых умов, экспериментирующих в поисках новых знаний. Сегодня у многих электронно-лучевая трубка, также известная как кинескоп, ассоциируется со старыми телевизорами, но это нечто гораздо большее. Она олицетворяет ту силу, которой обладают движимые любопытством исследования.

Глава 2 Эксперимент с золотой фольгой: строение атома

Эрнест Резерфорд пробыл в Монреале всего несколько месяцев, когда получил приглашение на дебаты от местного физического общества. Это был 1900 год, и тема была сформулирована так: «Существование тел, меньших, чем атомы». Резерфорд горел желанием принять участие в дебатах и написал своему бывшему наставнику Дж. Дж. Томсону, что надеется победить своего оппонента Фредерика Содди, химика, получившего образование в Оксфорде. Содди был младше Резерфорда на шесть лет. Его всегда интересовали проблемы на стыке физики и химии, но в Резерфорде он нашел физика, который потряс саму основу химии[27]. Эти дебаты положили начало одной из самых удивительных серий открытий в науке и побудили не только ученых, но и художников, философов и историков полностью пересмотреть свои представления об окружающем мире.

Содди заговорил первым. Это был высокий серьезный блондин с голубыми глазами. Младший из семи братьев, родившийся на юге Англии, еще школьником преодолел дефект речи и превратил свою бывшую детскую в химическую лабораторию, где мог проводить эксперименты, пускай иногда и был близок к тому, чтобы поджечь дом. У него были две непоколебимые ценности – правдолюбие и красота[28].

Содди пришел защищать атом. Его позиция заключалась в том, что электрон, открытый Томсоном и другими, должен быть чем-то отличным от «материи», известной ему и другим химикам. «Химики сохранят веру и благоговение перед атомами как постоянными сущностями, если не неизменными, то уж точно еще не преобразованными», – сказал Содди. Затем он бросил вызов Резерфорду: «Возможно, профессор Резерфорд сможет убедить нас в том, что материя, известная ему, действительно та же самая, что известна и нам»[29].

Резерфорд выступил в защиту своей позиции. Электроны, согласно его теории, составляли часть обычной материи. Он описал работу Томсона и тех, кто был до него: Генриха Герца и Филиппа Ленарда в Германии, Жана Перрена во Франции и Уильяма Крукса в Англии. Резерфорд проанализировал эксперименты Томсона по открытию электрона и объяснил, что, поскольку электроны, по-видимому, происходят из материи, они должны составлять часть атома. Он так хорошо объяснил новые экспериментальные результаты, что покинул аудиторию студентов и сотрудников университета Макгилла, будучи уверенным, что теперь уж они изменят свое давнее представление об атомах как о мельчайших неделимых строительных блоках материи. Но хотя Резерфорд и выиграл дебаты, оставалось много вопросов о том, что происходит внутри материи. Химики и физики так и не достигли согласия.

Эрнест Резерфорд – Эрн для друзей – был физиком, но он был настолько далек от стереотипа физика-интроверта, насколько можно себе представить. Он был высоким, атлетически сложенным и говорил таким громким голосом, что мог нарушить работу чувствительного научного оборудования в лаборатории. В отчаянии его ученики в конце концов соорудили светящуюся вывеску, которая висела над их экспериментами и гласила: «Говорите тише, пожалуйста». По словам научного писателя Ричарда П. Бреннана, у Резерфорда было «глубоко укоренившееся убеждение, что брань во время эксперимента помогает ему лучше работать, и, учитывая его результаты, он, возможно, был прав»[30].

Когда Резерфорд прибыл в университет Макгилла, он выглядел слишком молодым для своей новой роли профессора физики: его карьерный путь набрал обороты благодаря настоятельной рекомендации его старого советника Томсона. Всего за несколько лет до этого Резерфорд переехал из своей родной Новой Зеландии в Англию, ступив на путь новых открытий в области радиации с энтузиазмом блестящего молодого ума, стремящегося себя проявить. Он быстро стал звездным студентом в Кембридже, демонстрируя независимость в исследованиях, пока его наставник был занят (справедливости ради, его наставник в то время открывал электрон).

Открытие радиоактивности произошло несколько случайно в 1896 году, когда французский физик Анри Беккерель изучал светоизлучающие эффекты кристаллов урана. В 1898 году Мария Кюри обнаружила излучение, испускаемое элементом торием, и вместе со своим мужем Пьером, присоединившимся к ней в исследованиях, она объявила об открытии полония[31] и радия, дав радиоактивности ее название, – и все это в один знаменательный год. Еще учась в аспирантуре в Кембридже, Резерфорд присоединился к этой работе и продемонстрировал, что существует по крайней мере два различных типа излучения: альфа-излучение, которое можно остановить листом бумаги, и бета-излучение, которое можно остановить куском дерева[32]. Альфа, бета и, несколько лет спустя, гамма-излучение были названы с использованием первых трех букв греческого алфавита. Сначала их природа была неизвестна, хотя прошло совсем немного времени, прежде чем в 1899 году Беккерель идентифицировал бета-излучение как электроны, а в 1907 году Резерфорд выяснил, что альфа-излучение состоит из атомов гелия, потерявших два электрона, что дает им двойной положительный электрический заряд. Хотя в то время об этом не было известно, гамма-излучение состояло из высокоэнергетического света, похожего на рентгеновские лучи. Открытия Резерфорда в области радиоактивности, безусловно, привлекли внимание Томсона.

Получив должность профессора в Макгилле, свою первую исследовательскую группу и собственную лабораторию, Резерфорд хотел еще глубже проникнуть в феномен радиоактивности. В Канаде царила атмосфера, несколько отличающаяся от Кембриджской, но она, казалось, освободила его от социальных ограничений старого английского университета, так что он мог поступать так, как ему хотелось. Он поставил перед собой высокую цель: понять структуру атома.

После их первых дебатов в 1900 году между Содди и Резерфордом возник неподдельный интерес, который привел к сотрудничеству: каждый все больше хотел понять работу другого. Содди так увлекся изучением радиации, что прослушал продвинутый курс Резерфорда, в котором ученый рассказывал о рентгеновских лучах, излучении урана и тория, а также о практическом применении электрометра. Как химика, Содди больше всего впечатлил электрометр, который мог обнаруживать даже мельчайшее количество тория по испускаемому им излучению. Этот метод оказался гораздо более точным, чем простое взвешивание материалов, как это делали химики. Электрический метод мог обнаружить количество материала в 10¹² (1 триллион) раз меньшее, чем самые лучшие аналитические весы.

Тем временем Резерфорд принял на работу свою первую аспирантку: женщину по имени Гарриет Брукс. Женщины-аспирантки в то время были чрезвычайно редки, хотя, возможно, успех Марии Кюри оказал некоторое влияние. Брукс, третья из девяти детей, родилась в маленьком городке в западном Онтарио. Ее отец продавал муку, семье часто недоставало еды. К сожалению, мало что известно о том, как она обнаружила свою любовь к физике, а также о ее личности или характере: все это просто не было записано[33]. Что кажется очевидным, так это тот шанс, который может дать ей высшее образование: возможность покинуть семейный дом и стать независимой. После четырех лет учебы в Макгилле Гарриет получила степень бакалавра с отличием и несколько стипендий по математике и немецкому языку, что избавило семью от необходимости ее содержать. Она была очень способной студенткой, и неудивительно, что Резерфорд – который не питал никаких предрассудков касательно женщин в науке, – пригласил ее работать с ним.

Вместе Резерфорд и Брукс исследовали элемент торий, обнаружив, что он испускает таинственную «эманацию», своего рода газ, который не был похож ни на что из виденного ими прежде. Но еще более странным показалось то, что излучение, судя по всему, делало радиоактивными близлежащие объекты. То есть, когда излучение вступало в контакт с объектом, оно, казалось, воздействовало на объект так, что он спонтанно испускал альфа-, бета– или гамма-излучение, точно так же, как это делают природные радиоактивные материалы, такие как радий и полоний.

Брукс получила стипендию за свою докторскую работу с Резерфордом и потратила ее на поездку из Канады в Англию в 1902 году, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном. Она стала первой женщиной, обучавшейся в Кавендишской лаборатории.

Пытаясь понять полученные результаты, Резерфорд начал думать, что ему мог бы помочь кто-то, владеющий химическими методами, и пригласил Содди, который немедленно согласился, отказавшись от своей предыдущей исследовательской работы[34].

Содди продолжил работу Брукс, используя химические методы, чтобы выяснить, вступит ли эманация тория в реакцию с различными химическими агентами, но безрезультатно. Он обнаружил, что температура не имела никакого значения, равно как и то, где протекал эксперимент: в углекислом газе или воздухе. Излучение казалось каким-то инертным газом. Содди был уверен, что это не сам торий, а что-то им образованное.

Наконец, все прояснилось. Торий превращался в газ. Атомы тория самопроизвольно меняли форму. Это было не совсем похоже на мечту алхимика превратить свинец в золото, но атомы менялись. Содди «стоял, потрясенный колоссальным значением этого явления», и воскликнул: «Резерфорд, это трансмутация!»[35]

Далее они определили, что радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону. В течение определенного времени, известного как период полураспада, половина атомов в куске радиоактивного материала превращается в атом другого типа. Если вы начнете со 100 атомов кислорода-15 (радиоактивный изотоп кислорода с атомной массой, в пять раз превышающей атомную массу атома водорода), то через две минуты останется всего 50 атомов. Остальные 50 замените на азот-15. В последующие две минуты останется всего 25 атомов (50 ÷ 2). В следующие две минуты останется 12,5 атомов, и так далее. (Технически у вас не может быть половины атома, но период полураспада в две минуты остается прежним.) Материя больше не представлялась стабильной, неизменной субстанцией, как раньше.

Идеи Резерфорда и Содди были радикальными по меркам начала ХХ века, поэтому реакция научного сообщества оказалась неоднозначной. В Лондоне лорд Кельвин (Уильям Томсон), самая высокопоставленная фигура в британской физике, просто отказывался верить в распад атомов. Химики, которые верили в нерушимость материи, тоже восстали против этой работы. В Макгилле выходки Резерфорда и его теории радиоактивности также начали беспокоить других профессоров. Остальные преподаватели считали, что его неортодоксальные идеи о материи могут навлечь на университет дурную славу: члены Физического общества, где он и Содди дискутировали, были настроены крайне критично и посоветовали Резерфорду отложить публикацию и быть осторожнее[36]. Как-то его коллеги-профессора затащили его на встречу и недвусмысленно посоветовали оставить эту ситуацию. Резерфорд выбежал из аудитории, с трудом скрывая негодование.

Резерфорд не стал ходить по струнке. В 1904 году, прогуливаясь по кампусу, он наткнулся на профессора геологии Фрэнка Доусона Адамса. Без всяких предисловий он спросил Адамса, сколько предположительно лет Земле. Адамс рискнул дать цифру в 100 миллионов лет, основываясь на различных методах оценки того времени. Резерфорд сунул руку в карман, вытащил черный камень и выпалил: «Адамс, я без всяких сомнений знаю, что этому куску смоляной обманки 700 миллионов лет», – а затем ушел.

Постоянно распадающееся радиоактивное вещество в природе, как предположил Резерфорд, можно использовать для оценки возраста Земли. Камни содержали небольшое количество радиоактивных атомов, которые он и Содди изучали. Если бы он знал скорость распада от одного атома к другому, он мог бы подсчитать количество неразложившихся атомов по сравнению с количеством «превращенных» частиц и вычислить, как долго просуществовал этот объект. Резерфорду пришла в голову идея радиометрического датирования. Свои первые оценки он проводил с ураном-238, где 238 означает массовое число атомного ядра. Элементы с различным массовым числом называются изотопами и могут обладать различными радиоактивными свойствами, несмотря на то что являются одним и тем же химическим элементом (Содди открыл изотопы и придумал этот термин в 1913 году). Период полураспада урана-238 составляет 4,51 миллиарда лет, через ряд промежуточных стадий с образованием стабильного свинца-206. Используя приблизительные оценки периодов полураспада, полученные в лаборатории, Резерфорд сравнил количество урана и свинца в образце смоляной обманки и обнаружил, что он намного старше предполагаемого возраста Земли.

Одно дело – красоваться перед профессорами геологии, но совсем другое – убеждать в своей правоте физиков и химиков. Резерфорд отправился в Англию, где 20 мая 1904 г. выступил с речью в Королевском институте и рассказал о своих открытиях в области радиоактивности. В зале он заметил лорда Кельвина. Кельвин и так был против идеи распада атомов, и Резерфорд знал, что последняя часть его речи о возрасте Земли будет для него особенно трудной. Кельвин считался авторитетным специалистом в определении возраста нашей планеты, основанном на расчетах скорости ее остывания[37]. Резерфорд вспоминал: «К моему облегчению, Кельвин быстро заснул, но когда я дошел до самого важного момента, я увидел, как этот стреляный воробей сел, приоткрыл один глаз и злобно уставился на меня! И тут на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли, исходя из того, что не будет открыт новый источник [энергии]. Это пророческое высказывание относится к тому, что мы рассматриваем сегодня вечером, – радий! Узрите! Старик просиял, глядя на меня»[38].

Данные из других лабораторий продолжали подтверждать идею о том, что многие элементы нестабильны и имеют периоды полураспада. Лорд Кельвин публично отказался от своей прежней позиции против радиоактивности на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки и в результате был вынужден выплатить пари другому физику, лорду Рэлею. Остальная часть сообщества постепенно признала, что радиоактивность действительно происходит так, как предполагали Резерфорд и Содди.

Когда в 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии, он заметил, что стал свидетелем многих превращений в своей лаборатории, но ни одно из них не было таким быстрым, как его внезапное превращение из физика в химика. Содди тоже получил Нобелевскую премию – в 1921 году, за вклад в развитие радиохимии. Что касается Гарриет Брукс, она была в Кембридже, когда Содди и Резерфорд открыли процесс трансмутации в 1902 году, но Джей Джей Томсон был слишком занят, чтобы заметить ее работу. Позже, в 1903 году, она вернулась в Канаду и продолжала проводить исследования в области радиоактивности до своей помолвки в 1905 году. Но колледж, в котором преподавала Брукс, сказал, что ей придется уйти с работы, если она выйдет замуж[39]. Она разорвала свою помолвку и продолжила работать. В 1907 году, после знакомства, а затем и работы с мадам Кюри в Париже, Брукс оказалась перед трудным выбором: другой канадский профессор, ее бывший лаборант, начал делать ей романтические предложения через серию писем. Ей был 31 год, и общественное давление, требующее выйти замуж и завести детей, было очень сильным. Резерфорд – к тому времени уже в Манчестере – изо всех сил старался обеспечить ей финансовую поддержку, пытаясь нанять ее. В своем рекомендательном письме он подтвердил, что Брукс была самой выдающейся женщиной-физиком в области радиоактивности после Кюри. В конце концов Гарриет Брукс решила принять предложение руки и сердца и вернулась в Канаду, вышла замуж, у нее родились трое детей. Ее карьера в области физики подошла к концу. Только в 1980-х годах признали, что ее работа была неотъемлемой частью открытия радиоактивного распада Резерфорда и Содди[40].

Для большинства ученых Нобелевская премия стала бы пиком их карьеры, но для Резерфорда это казалось только первым шагом. Он все еще не ответил на свой первый вопрос: какова структура атома? Его воображение, богатое идеями, и умение их воплощать простыми, но действенными экспериментами сделали ему имя. В 1907 году Резерфорд вернулся в Великобританию, где возглавил физический факультет Манчестерского университета. То, что он тогда обнаружил, потребовало бы еще большего воображения физиков и химиков, а само его открытие строилось на одном из самых простых, но самых известных исследований в области физики: эксперименте с золотой фольгой.

Несмотря на многочисленные достижения Резерфорда, эксперименты, которые он проводил до 1908 года, были очень примитивными. Он сам лучше всего описал свой подход: «У нас нет денег, поэтому придется думать». Студенты и сотрудники исследовательской группы Резерфорда были известны тем, что в своих экспериментах использовали жестяные банки, табачные коробки, сургуч и невероятное усердие. В таких простых, но хитрых методах познать природу таилось особое удовольствие. Один из студентов Резерфорда, австралийский физик Марк Олифант, позже напишет: «Он был полон идей, но это всегда были простые идеи. Ему нравилось словами описывать происходящее»[41]. Это же касалось и его взгляда на атом.

Резерфорд описал свое представление об атоме на рубеже ХХ века в следующих словах: «довольно твердый парень, красного или серого цвета, судя по вкусу». Легко представить, что крошечные атомы, из которых состоит наша пища, наши тела и наша планета, похожи на маленькие бильярдные шары, – картина, которой нас часто учат в школе[42]. В 1908 году уже прошло 10 лет с тех пор, как Томсон открыл электрон, но физики все еще не имели четкого представления о внутренней структуре атома. Однако Резерфорд начал догадываться, что состав атома и радиоактивность тесно связаны.

Точка зрения Томсона и многих других ученых заключалась в том, что атом представляет собой сферу с положительным зарядом, в которую – как изюм в пудинг – встроены отрицательно заряженные электроны. Эта идея получила название «модель сливового пудинга». Было несколько других идей, таких как «сатурнианская модель», выдвинутая японским физиком Хантаро Нагаока, – о «центральной притягивающей массе, окруженной кольцами вращающихся электронов», но не было никаких доказательств того, что эта модель хоть в какой-то степени точна[43]. Резерфорд очень высоко ценил Томсона, но начинал сомневаться в своем старом наставнике.

Влияние Резерфорда росло, как и его обязанности. Теперь он руководил целым отделом в Манчестере, расположенным во впечатляющем здании из красного кирпича со специально построенными лабораториями и офисами. Одну из них Резерфорд выделил для себя. Как и во многих других лабораториях, здесь были тяжелые деревянные полы, а стены были покрыты плиткой: горчично-желтая плитка у пола, темно-красная полоса на высоте стола, затем кремовая плитка, простирающаяся до самого потолка. Место казалось отчасти суровым, но было в высшей степени практичным. Здесь Резерфорд мог приступить к изучению вопроса о том, как на самом деле выглядит атом внутри. Если быть точным, могли приступить его сотрудники и ученики.

Как директор лаборатории, Резерфорд был слишком занят, чтобы проводить большинство экспериментов собственноручно, даже если он сам того хотел. Его задачей было собрать команду людей, которые вместе будут работать над достижением поставленной цели, а он будет заходить, проверять результаты, давать предложения и поддерживать мотивацию. Во время одного из таких лабораторных обходов Резерфорд познакомился с Эрнестом «Эрни» Марсденом, двадцатилетним студентом-старшекурсником из Ланкашира, сгустком энергии и энтузиазма. Резерфорд возвышался над невысоким Марсденом, как и над всеми остальными. Сын ткача, Марсден вырос, обожая музыку и литературу, а также естественные науки, и, под влиянием учителей в средней школе, решил изучать физику. Он был склонен к заразительному смеху и, по словам его коллег, с ним всегда было приятно находиться[44]. Марсдену был нужен исследовательский проект для магистерской диссертации, и Резерфорд подкинул ему идею.

Еще в Канаде Резерфорд заметил, что, когда он пропускал альфа-частицы через тонкий кусок металла, они образовывали нечеткое изображение на фотопластинке. Если убрать металлический лист, изображение на фотографии получалось четким. Альфа-частицы, казалось, рассеивались, будто отраженные атомами металла, но он не знал почему. Столь крошечный эффект многие, может, и не заметили бы. Но Резерфорд предложил Марсдену провести дополнительные эксперименты и лучше проверить этот эффект.

Резерфорд поручил ему работать под руководством Ханса Гейгера, физика немецкого происхождения, который был на шесть лет старше Марсдена. Гейгер родился в Нойштадте, в Рейнланд-Пфальце, прекрасном винодельческом районе. Он был очарован миром природы и получал удовольствие и гордость от проведения экспериментов. Он недавно защитил докторскую диссертацию и переехал в Манчестер, когда туда приехал Резерфорд. Позже он стал широко известен благодаря изобретению счетчика, названного его именем – счетчик Гейгера. Резерфорд предложил двум молодым людям свою личную лабораторию для экспериментов.

Члены группы Резерфорда уже изучали, как электроны рассеиваются, проходя через металлы. Они обнаружили, что электроны подвергаются серии столкновений с атомами металла, при этом несколько электронов отражаются обратно. Теперь вопрос заключался в том, как будут вести себя альфа-частицы в подобном эксперименте. Альфа-частицы (или ядра гелия, как мы теперь знаем) практически в 7000 раз тяжелее электронов, и это означает, что для смены их курса потребуется очень большая сила. Интуитивно понятно, что они должны проходить прямо сквозь тонкий кусок металла. Тем не менее тот факт, что альфа-частицы формируют нечеткое изображение на пластинке, проходя через металлический лист, показался Резерфорду довольно интересным. Вопрос был ясен: если направить альфа-частицы одну за одной на металл, как толщина металла повлияет на рассеивание и отражение частиц?

Помощь в постановке этого эксперимента стала бы для Марсдена хорошей практикой, а сам эксперимент был довольно типичен для лаборатории Резерфорда. Эксперименты такого рода включали в себя пристальное – час за часом – вглядывание в окуляр микроскопа и подсчет маленьких вспышек света от альфа-частиц. Для такой работы нужно немало времени и выдержки, потому Гейгер и Марсден без промедления принялись за дело.

В эксперименте использовалась разновидность вакуумной трубки. Вместо электронно-лучевой трубки, испускающей электроны, Гейгер и Марсден намеревались использовать альфа-частицы. В один конец трубки был помещен сильный радиоактивный альфа-источник, изготовленный из радия, а другой конец был запечатан слоем слюды, тонкого материала, через который могли проходить альфа-частицы. Трубка располагалась под углом 45 градусов по направлению к толстому куску металла и экрану, покрытому сульфидом цинка, который испускал вспышку света всякий раз, когда в него попадала альфа-частица. Между альфа-излучающей трубкой и экраном был предусмотрительно расположен кусок свинца, чтобы предотвратить попадание случайных альфа-частиц непосредственно в детектор и последующее искажение результатов. Установка была разработана таким образом, чтобы улавливались только те альфа-частицы, которые действительно отражаются от металла. Затем Гейгер и Марсден принялись следить за вспышками на экране.

Сначала они пронаблюдали за тем, что происходит при попадании альфа-частицы на поверхность толстого куска металла. Так же, как и в случае с электронами, несколько альфа-частиц отразились. В случае с толстыми листами металла альфа-частицы вели себя примерно так же, как электроны. Ожидалось, что отклонение альфа-частиц от каждого отдельного атома будет небольшим. Толстый лист металла содержит много слоев атомов, и, хотя альфа-частицы в 7000 раз тяжелее электронов, результат подтвердил предположение о том, что даже такие тяжелые «снаряды» иногда поворачивают вспять после достаточного количества столкновений. Играет ли роль тип металла? Как оказалось, да. Металлы, изготовленные из более тяжелых элементов, таких как золото, отражают больше альфа-частиц, чем легкие, такие как алюминий.

Затем Гейгер и Марсден проверили, имеет ли значение толщина металла. Они рассудили, что если они сделают металлическую фольгу достаточно тонкой, то все альфа-частицы будут проходить прямо сквозь нее, при этом немного рассеиваясь, как ранее отмечал Резерфорд. Для этой части эксперимента они выбрали золото, потому что из него можно было легко сделать тонкую фольгу. Постепенно меняя толщину золотой фольги, ученые проверяли, сколько вспышек промелькнет на экране датчика. По мере уменьшения толщины фольги альфа-частицы, как и ожидалось, начали проходить прямо сквозь нее. Но потом исследователи заметили кое-что странное: какой бы тонкой ни была золотая фольга, экран с сульфидом цинка все равно иногда загорался. Примерно одна из каждых 8000 альфа-частиц отскакивала от фольги. И причиной тому был не простой толчок, который слегка изменил направление альфа-частиц, а сильное воздействие, которое полностью отразило альфа-частицу. Но как такое возможно? Внутри атомов золота не было ничего, что могло бы вызвать этот эффект. Казалось, это противоречит всем известным законам физики. Как тяжелая альфа-частица может быть отклонена крошечными электронами или разницей в положительном заряде атома?

Гейгер и Марсден сообщили эту новость Резерфорду. Позже он описал это так: «… самое невероятное событие, которое когда-либо случалось в моей жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы запустили 38 см[45] снарядом в лист тонкой бумаги, а он бы отскочил и попал в вас». Узнав результаты, Резерфорд попытался дать все правдоподобные объяснения, которые могли бы подтвердить данные, и исключал их одно за другим. Если бы модель сливового пудинга была верна, отклонение альфа-частиц было бы небольшим, но Гейгер и Марсден наблюдали обратное. Чтобы объяснить отскакивание альфа-частиц, пришлось бы признать присутствие огромной силы в атомах золота. Было несколько вариантов: либо в эксперименте допущена ошибка и альфа-частицы могли каким-то образом поглощаться и переизлучаться атомами, либо, возможно, весь положительный заряд атома был сконцентрирован в самом центре атома.

Эксперимент был проведен в 1907–1908 годах, а его результаты опубликованы в 1909 году, но теория Резерфорда о строении атома появилась только в 1911 году. За это время Резерфорд произвел вычисления. И даже записался на курс математики, чтобы убедиться, что он все посчитал правильно. Раз за разом он понимал, что существует только одно объяснение, которое соответствует полученным данным: атомы по большей части должны состоять из пустого пространства с крошечным плотным ядром.

Если бы Резерфорд хотел опровергнуть принятую модель атома, ему пришлось бы, вне всякого сомнения, продемонстрировать, что новая модель верна. В течение следующих нескольких лет, благодаря изобретению Гейгером счетчика, Марсден и Гейгер провели еще одну серию экспериментов, в которых все встало на свои места. Только после этого Резерфорд представил миру свою новую теорию. Атом – не сливовый пудинг, усеянный отрицательно заряженными электронами: в его сердце крошечное ядро с положительным зарядом, достаточно плотное, чтобы оно могло отражать при приближении альфа-частицы. Электроны – тоже часть атомов, но они вращаются вокруг ядра на огромном расстоянии. Если бы атом был размером с собор, где электроны – его стены, ядро было бы размером с муху. А между ними не было бы вообще ничего.

Эксперименты Гейгера и Марсдена полностью изменили представление об атомах и, соответственно, о Вселенной. Атомы вовсе не были твердыми объектами, какими их считали на протяжении тысячелетий, они в основном состояли из пустого пространства. Трудно переоценить, насколько неожиданным был этот результат. Артур Эддингтон в 1928 году писал:

Когда мы сравниваем Вселенную, какой мы ее понимаем, со Вселенной, какой мы ее раньше представляли, самое поразительное изменение – не переосмысление пространства и времени Эйнштейном, а превращение всего того, что мы считали наиболее твердым, в крошечные частицы, плавающие в пустоте. Резкий толчок тем, кто думает, что вещи более или менее такие, какими кажутся. Открытие современной физикой пустоты внутри атома вызывает большее беспокойство, чем открытие астрономией огромной пустоты межзвездного пространства[46].

Простые эксперименты принесли огромное количество знаний. Это так взволновало Резерфорда, что однажды, как вспоминает Чарльз Перси Сноу – химик и один из сотрудников Резерфорда в Кембридже, который позже стал известным писателем, – ученый так настолько вышел из себя, что вскричал на собрании Британской ассоциации: «Мы живем в великий век науки!» – в то время как остальные в комнате сидели в ошеломленном молчании.

Энтузиазм Резерфорда был оправдан: он видел потенциал, который кроется в понимании атомного ядра и того, как работает радиоактивность. Сегодня многие люди ассоциируют слова «ядерный» и «радиоактивность» с технологиями ядерной энергетики и ядерного оружия, появившимися спустя десятилетия после этих открытий. Сила ядра и невидимой природы радиоактивности иногда вселяет страх. И все же, если бы радиоактивности не существовало, если бы все элементы были стабильны, если бы ядро не было удивительно сложным, нас вместе с нашей планетой и всем, что на ней есть, просто бы не существовало. Радиоактивность возникает потому, что атом имеет структуру, и открытие этой структуры привело нас к более глубокому, более фундаментальному пониманию природы материи.

Радиоактивность – это естественный процесс. Она воплощает идею о том, что все в нашей жизни, даже сама материя, находится в постоянном изменении. В некоторых случаях это изменение происходит мучительно медленно, поэтому мы называем некоторые атомы «стабильными», что означает, что мы еще не видели, как они распадаются, поскольку их периоды полураспада намного больше возраста Вселенной. Но другие атомы решительно нестабильны. Их период полураспада – от миллиардов лет до дней или минут, и по этой причине они гораздо более интересны – и часто полезны – для нас.

Эти радиоактивные элементы естественным образом содержатся в горных породах, в воздухе, почти везде. Гранит вашей кухонной столешницы может содержать уран, торий и продукты их радиоактивного распада. Некоторые элементы, такие как калий (химический символ K), имеют как стабильные, так и нестабильные изотопы и различаются по атомной массе, поскольку их ядра имеют разное число нейтронов, которое может быть больше или меньше числа протонов. Изотопы одного и того же элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами. Например, большая часть калия представляет собой стабильный изотоп К-39, но 0,0012 % приходится на изотоп К-40, который содержит один дополнительный нейтрон, испускающий в основном бета-излучение (электроны) с периодом полураспада 1,3 миллиарда лет. Это означает, что даже бананы, технически, радиоактивны. Однако доза облучения мизерна, и вам пришлось бы съесть 5 миллионов бананов за один присест, чтобы почувствовать ее вредные последствия. Наши собственные тела тоже неизбежно содержат эти изотопы. Мы все радиоактивны.

Сегодня мы полагаемся на природные радиоактивные элементы во многих технологиях, от датчиков дыма (где америций, источник альфа-частиц, создает небольшой ток, который отключается при появлении дыма) до радиоактивных источников, опускаемых в глубокие скважины и используемых для определения состава окружающей породы. Этот метод, известный как каротаж скважин, стимулирует гамма-излучение элементов в породе и позволяет с минимальными затратами оценить, есть ли нефть, газ или иные ценные продукты глубоко под землей. Другие радиоактивные источники уже много лет используются для лечения рака и стерилизации почты, особенно после того, как в 2001 году были предприняты попытки отравить письма сибирской язвой, – теперь правительственная почта США стерилизуется с помощью радиации[47].

Использование естественной радиоактивности в других сферах жизни общества – неотъемлемая часть нашего мира, и легко забыть, что ее не существовало до открытий Резерфорда, Содди, Брукс, Гейгера и Марсдена. Чтобы убедиться в этом, достаточно заглянуть в Манчестерский музей, расположенный всего в нескольких шагах от старой лаборатории Резерфорда. В нем нет никакого старого физического оборудования, но представлено много окаменелостей (в том числе огромный скелет тираннозавра по имени Стэн). Репродукция огромной корневой системы дерева из верхнего каменноугольного периода с табличкой, указывающей, что дереву 290–323 миллиона лет. Плезиозавр, который был найден в Северном Йоркшире группой студентов университета, – его окаменелые кости возрастом 180 миллионов лет выставлены в огромном стеклянном ящике. Легко предположить, что у нас всегда были методы определения возраста окаменелостей, горных пород и древних артефактов, но, как мы помним по разговору Резерфорда с геологом профессором Адамсом, это не так. Основная причина, по которой мы объективно знаем возраст практически любого исторического объекта, заключается в наших знаниях о радиоактивности.

После открытия Резерфордом ядра атома физикам потребовалось время, чтобы понять ядерную физику и то, почему периоды полураспада разных атомов различаются. В то же время открытие многих нестабильных атомов с различными периодами полураспада в природе дало нам широкий спектр инструментов и методов, позволяющих датировать не только окаменелости, но и практически все, что угодно. Невозможно перечислить все, о чем мы знаем благодаря радиометрическому датированию, но давайте рассмотрим несколько примеров.

Мы знаем, что Туринская плащаница – средневековая подделка[48], и можем датировать свитки Мертвого моря. Мы знаем, что Homo sapiens мигрировали из Африки не единожды, а в течение нескольких периодов[49], и мы знаем, как они распространились по всему земному шару, потому что можем датировать человеческие останки – например, останки возрастом 14 300 лет, найденные в пещере в Орегоне[50]. В археологии мы можем не только локально установить временную шкалу для объектов, но и сравнить их в разных странах и даже на разных континентах, чтобы восстановить доисторическую эпоху нашего мира. Мы можем определить возраст льда в 1,5 миллиона лет[51], чтобы понять древний климат по ледяным кернам. Благодаря радиометрическому датированию мы знаем, когда динозавры бродили по Земле, и знаем дату падения астероида, который уничтожил их 65 миллионов лет назад[52]. Углубляясь в прошлое, мы можем идентифицировать первые свидетельства окаменелостей, которые могли быть животными, – разновидность древней морской губки, найденной в породах возрастом 665 миллионов лет в формации Трезона на юге Австралии[53].

Это знание составляет огромную часть культурного и исторического контекста нашей жизни и нашего вида. Мы можем точно сопоставить все эти истории не только потому, что способны сравнивать слои горных пород и скелеты друг с другом, но и потому, что атомы самопроизвольно распадаются на другие атомы. Потому, что Резерфорд, его команда и другие ученые после него разработали и усовершенствовали эти методы. Стремление понять мельчайшие объекты в природе в то время могло показаться незначительным разделом физики, но оно стало основой для нашего понимания культуры, искусства, геологии и нашего места в мировой истории.

И опять причина тому – простые эксперименты нескольких ученых, которые привели к новым знаниям: в основе самой материи лежит крошечное ядро. Это открытие также породило множество вопросов, которые были важны для дальнейшего рассмотрения. Как удерживается ядро? Как электроны остаются в атоме? Первые ответы на эти вопросы пришли из начала квантовой механики, рожденной в результате экспериментов, направленных на изучение природы света и его взаимодействия с материей. Со временем физика превратилась в область все возрастающей сложности, и простые эксперименты, которые так любил Резерфорд, уже не могли раскрыть секреты атома. Даже радиоактивные вещества, обнаруженные в природе, не казались достаточно мощными или гибкими и в конечном итоге стали ограничением, а не инструментом открытия.

Глава 3 Фотоэлектрический эффект: квант света

Что такое свет? Споры о природе света ведутся с XVII века. Сначала предполагалось, что свет подобен частице[54], объекту, движущемуся на скорости через гипотетический эфир по прямой линии, – идея, отстаиваемая Исааком Ньютоном. Другой точки зрения придерживался голландский физик Христиан Гюйгенс, крупная фигура научной революции, который открыл спутник Сатурна Титан, а затем предложил математическую основу волновой теории света в своем «Трактате о свете» 1690 года. Гюйгенс утверждал, что свет – это волна, вибрациями прокладывающая свой путь через эфир (которого, как выяснилось позже, не существует[55]). Хотя из-за большого авторитета Ньютона теория частиц долгое время преобладала, но, как всегда, эксперименты расставили все по своим местам: на первое место вышла волновая теория.

Главный эксперимент, который разрешил дебаты в пользу волновой теории, был впервые проведен Томасом Юнгом в Англии в 1801 году. Современную версию этого эксперимента достаточно легко воссоздать, и большинство студентов-физиков пытаются это сделать. Он начинается с лазерной указки, направленной на черную металлическую пластину с двумя крошечными прорезями-щелями в ней. Это и дало эксперименту его название – «двухщелевой опыт». За двумя прорезями находится проекционный экран. Вопрос: что мы увидим на экране? Наша интуиция воспроизводит аналогичный опыт. Представьте себе забор в лучах солнца, в заборе недостает двух планок: он блокирует солнечный свет и отбрасывает тень на тротуар, но в промежутках, где отсутствуют планки, появляются два ярких пятна. Большинство подумает, что лазерный луч создаст две ярко-красные линии света на экране, причем двойная щель будет эквивалентом недостающих планок и остальная часть экрана будет в тени. Мы этого ожидаем, но происходит совсем иное. На экране появляется набор интерференционных полос: полосы светлых и темных пятен, растекающиеся по ширине экрана[56].

Эта интерференция – уникальное свойство волн. Например, мы можем воссоздать похожую модель с волнами воды. Если вы направитесь к тихому пруду с двумя надувными мячами, будете держать по одному мячу в каждой руке на расстоянии примерно метра друг от друга и синхронно чеканить мячики, создавая две волны, то вы будете наблюдать похожую ситуацию[57]. Там, где пики двух волн встречаются друг с другом, они вызывают «конструктивную» интерференцию; в противном случае, когда перекрываются пики и впадины, происходит «деструктивная» интерференция, и волны ослабляют друг друга. В результате получается красивый веерообразный узор, образованный чередующимися волнами и участками неподвижной воды, который распространяется от вас по всему пруду.

Интерференционные эффекты света проявляются и в нашей повседневной жизни, но куда менее заметно. Эти эффекты придают особые цвета мыльным пузырям, крыльям бабочки или «рисуют» радуги, которые вы видите, глядя на обратную сторону компакт-диска. Интерференция в этих ситуациях выглядит немного сложнее, потому что в них участвует белый свет (состоящий из множества цветов, в отличие от одноцветной лазерной указки), а интерференционные картины зависят от цвета, поэтому в этих сценариях вместо ярких и темных пятен получаются красочные узоры.

Двухщелевой опыт Юнга показывает эту интерференцию в действии: в некоторых местах экрана свет, добавленный к свету, дает еще более яркий свет, а в других местах свет, добавленный к свету, дает темноту. Измеряя расстояние между яркими пятнами на экране и зная длину волны света от лазерной указки, мы можем использовать волновую теорию света, чтобы предсказать, что мы увидим. И когда ученые XIX века добавили к этим знаниям доказательствам того, что свет может рассеиваться, преломляться, и интерферировать, а все это свойства волн, а не частиц, спор был исчерпан: свет – это волна.

Примерно в XIX веке классическая волновая теория света развивалась все больше, предсказывая все известное поведение света, наблюдаемое в лаборатории. Основываясь на нем, мы смогли создать и понять микроскопы и телескопы, зеркала и линзы. Мы смогли объяснить, как работает радуга, почему небо голубое и многие другие явления. Классическая теория продолжала удерживать позиции даже после того, как шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл связал ее со своей теорией электромагнетизма, которая дала нам превосходное определение природы световых волн. Для большей точности мы можем сказать, что свет – это электромагнитная волна, движущаяся со скоростью почти 300 млн метров в секунду, обозначаемой буквой c. Волна имеет колеблющуюся электрическую составляющую и магнитную составляющую, постоянно меняющиеся местами. К 1900 году природа света уже не вызывала сомнений.

Затем серия экспериментов начала серьезно ставить под сомнение волновую теорию. Они показали, что свет не всегда действует как волна – иногда казалось, что свет действует как частица. Классическая теория столкнулась с трудностями, когда ученые начали задаваться вопросом, как волновая теория взаимодействует с другими разделами физики. На первый план вышло то, что ранее замалчивалось. Почему свет и материю следует рассматривать как отличающиеся друг от друга? Что заставляет свет действовать одним образом, а материю – другим? Пока физики размышляли над этими вопросами, появилась радикальная идея о том, что и свет, и материя – не совсем то, чем мы их считали. Это ознаменовало начало революции в физике и начало своеобразных, но замечательных теорий квантовой механики.

Давайте подведем итоги того, куда привело нас наше путешествие с момента обнаружения X-излучения в лаборатории Рентгена в 1896 году. Эксперимент с электронами и золотой фольгой доказал физикам, что атомы – не самые маленькие объекты в природе, поскольку внутри атомов находятся крошечные электроны, несущие отрицательный электрический заряд. Атомы оказались не такими стабильными вечными сущностями, какими их хотели видеть химики: физика показала, что атомы могут изменяться, превращаясь в различные элементы путем радиоактивного излучения, многократно изменяя форму, пока не достигнут точки стабильности. Атомы больше не были твердыми сферами материи: оказалось, что они состоят в основном из пустого пространства. Все эти знания предвещали следующие крупные открытия, которые изменили физику почти до неузнаваемости. Мы даже по-другому называем физику, появившуюся на рубеже ХХ века. Мы называем ее современной физикой – в противоположность классической физике, как будто все, что было до теорий этой эпохи, было несколько обычным.

Основа проблемы была заложена в 1887 году, когда Генрих Герц превзошел свое более раннее открытие электромагнитных волн, случайно обнаружив, что свет может создавать искры. Точнее говоря, он обнаружил, что если направить ультрафиолетовый свет на металлическую поверхность, то выбрасываются электроны. Эта связь между светом и электричеством называется фотоэлектрическим эффектом и стала популярной темой исследований[58] многих физиков, в том числе Вильгельма Халльвакса и Филиппа Ленарда в Германии, Аугусто Риги в Италии, Джей Джей Томсона в Англии и Александра Столетова в России – все пытались понять принцип его действия.

Свет, согласно волновой теории, несет определенное количество энергии, пропорциональное квадрату его амплитуды (размеру волны или яркости света). Физики, изучающие фотоэлектрический эффект, подозревали, что в металле электроны связаны в атомах, поэтому электрону нужно получить немного энергии, чтобы вылететь из атома. Преодолев этот начальный энергетический барьер, все большее и большее количество света должно передавать электрону все больше и больше энергии, пока он не вылетит с энергией, соответствующей поглощенной энергии света (минус энергия, необходимая для того, чтобы электрон покинул металл). Исходя из этого, можно сделать три прогноза. Во-первых, более яркий свет должен привести к тому, что электроны будут двигаться быстрее. Ученые рассудили, что чем сильнее свет, падающий на металл, тем больше энергии будет у электрона и, следовательно, тем быстрее он покинет металл. Это казалось разумным. Во-вторых, если свет достаточно тусклый, потребуется больше времени на накопление энергии, необходимой для того, чтобы электрон покинул металл, после чего электрон будет двигаться с низкой скоростью. И в-третьих, поскольку электроны должны перемещаться и поглощать энергию, чтобы вырваться, температура металла должна влиять на результат.

В 1902 году Филипп Ленард, физик венгерского происхождения, работавший в Германии[59], обнаружил, что с самым первым предсказанием есть проблема: он не видел корреляции между скоростью выбрасываемых электронов и интенсивностью света. Ленард даже выдвинул гипотезу о том, что вся идея ошибочна: световая энергия не преобразуется в энергии электронов в фотоэлектрическом эффекте вообще, и вместо этого свет был просто триггером, инициирующим атомы высвобождать электроны[60]. Эта гипотеза с «триггером» казалась маловероятной, но другого убедительного объяснения не было.

На другом конце света другой физик-экспериментатор пытался поспевать за наукой. Роберт Милликен, ассистент профессора Чикагского университета, был полон решимости оставить свой след в физике, но испытывал трудности из-за нехватки оборудования и того факта, что никого в его лаборатории не интересовало то, что он делал.

Милликен впервые обнаружил свою любовь к физике после того, как его учитель греческого языка в Оберлинском колледже в Огайо попросил его прочесть курс по этому предмету. Несмотря на то что у него не было никаких предварительных знаний, он взялся летом за самостоятельное изучение физики, решая все задачи, которые только попадались ему в учебниках. Он получил докторскую степень в Колумбийском университете, а затем провел год в Германии, прежде чем занять должность в Чикагском университете. Милликен был хорошо известен своим невероятно строгим графиком: он работал по 12 часов в день: 6 часов преподавал и 6 часов занимался исследованиями.

По счастливой случайности, время, которое он провел в Германии, пришлось на 1895–1986 год, когда были открыты рентгеновские лучи и радиоактивность: это помогло Милликену сформировать новые идеи для своих исследований. Но в Чикаго, несмотря на напряженный график и неувядающий оптимизм, он остро ощущал отсутствие прогресса в исследованиях из-за своей изолированности. Милликен знал, что в Германии Ленард добьется результатов в окружении других экспертов, в то время как он работал почти полностью независимо.

Как и все лаборатории того времени, его лаборатория сильно отличалась от современных. В конце концов, это было начало 1900-х годов: электрическое освещение было новым и не очень эффективным, поэтому лаборатория больше походила на унылую фабрику, чем на яркие белые помещения сегодняшнего дня. Большинство домов в районе Чикаго все еще освещались газовыми лампами или свечами, так как электричество у них появится только через 20 лет. Компьютеров, конечно, не было. Все расчеты делались с использованием логарифмической линейки, карандаша и бумаги, а оборудование изготавливалось собственными силами, поскольку у Милликена не было коллег, к помощи которых он мог бы прибегнуть. Чтобы решиться на экспериментальное исследование, нужна большая самоотдача, и Милликен таковой обладал.

Все, что ему было нужно, – хорошая проблема, над которой можно поработать. И чтобы ее найти, он принялся читать все последние исследовательские работы – что было полезно также и потому, что он отвечал за организацию еженедельных семинаров для своей кафедры. Чтобы оживить одну из дискуссий, однажды он принес и представил исследовательскую работу, которая произвела на него большое впечатление и с которой мы уже знакомы: статью Дж. Дж. Томсона 1897 года об открытии электрона. Милликен был настолько вдохновлен работой Томсона, что решил работать над этой темой. Он хотел изучить электрический разряд в высоком вакууме, но в его лаборатории не было вакуумных насосов, которые справились бы с этой задачей.

В те времена вакуумные насосы были в основном ртутными: сложные, но изящные конструкции из соединенных между собой стеклянных трубок и колб, изготовленных вручную стеклодувами. Жидкая ртуть должна была проталкиваться по трубкам и по мере прохождения удалять несколько молекул воздуха. Если повторить это действие достаточное количество раз, в конце концов можно удалить достаточно воздуха, чтобы получить хороший уровень вакуума. Но Милликену пришлось начинать с нуля, и в течение трех кропотливых лет он неоднократно пытался и терпел неудачу, пока в конце концов не изобрел более удобный аппарат. К стандартному ртутному насосу он добавил трубку, содержащую древесный уголь, погруженный в жидкий воздух. К 1903 году его аппарат мог откачать достаточно воздуха, чтобы в эксперименте использовалось в миллиард раз более низкое давление по сравнению с атмосферным[61] – это приличный уровень вакуума даже по сегодняшним меркам. Ученый был готов к измерениям.

Пока Милликен разбирался с вакуумными насосами, вышла новая книга Дж. Дж. Томсона[62], в которой излагалось предположение, что фотоэлектрическое излучение должно в значительной степени зависеть от температуры, как было не раз обнаружено экспериментаторами к тому времени[63]. Согласно классической точке зрения, при более высокой температуре электроны в металле должны обладать большей энергией, поэтому они должны высвобождаться из металла гораздо легче и с большей скоростью, чем из металла при более низкой температуре.

Вооружившись высоковакуумной установкой, Милликен посчитал хорошей отправной точкой воспроизведение этих результатов. Он направил свет на металлический электрод, температура которого регулировалась внутри стеклянного аппарата. Как и другие экспериментаторы до него, он измерял скорость электронов с помощью напряжения, воздействовавшего на освобожденные электроны: чем выше скорость электрона, тем выше нужно напряжение, чтобы его остановить. Но когда Милликен попробовал провести эксперимент со своей вакуумной системой, он обнаружил, что результаты совершенно не зависят от температуры. Что он сделал не так?

Милликен поручил решение этой проблемы нескольким своим аспирантам. Они работали вместе в маленькой комнате, где постоянно приходилось переступать через лотки с серной кислотой и хлоридом кальция, установленные для осушения воздуха, чтобы предотвратить скопление воды на электродах в своих экспериментах. Потребовалось три или четыре дня непрерывной продувки системы чистым воздухом, прежде чем ученые смогли провести надежные измерения, и неделями они сталкивались с проблемами проникания воздуха в вакуумную систему, из-за чего им приходилось начинать все сначала.

Несмотря на трудности, Милликену в конце концов удалось нагреть алюминиевый электрод до температуры от 15 до 300 градусов по Цельсию и измерить излучаемый электрический ток. Опять же, никакой температурной зависимости обнаружено не было. Их детальная работа продолжалась в течение многих лет, команда создала сложную вакуумную установку с подвижным колесом, к которому прикрепили 11 различных металлических дисков: медь, никель, железо, цинк, серебро, магний, свинец, сурьма, золото, алюминий и латунь. Колесо сидело на агатовых подшипниках внутри стеклянного цилиндра диаметром 8 см с узким источником света – меньше каждого диска, – который освещал трубку. Они поместили полоску железа на край колеса так, чтобы при осторожном движении большим магнитом рядом с трубкой каждый образец металла поворачивался к источнику света без необходимости открывать систему для воздуха[64]. Как оказалось, все результаты не зависят от температуры, по крайней мере, до 100 градусов по Цельсию, что было самым высоким показателем, на который они осмелились пойти с этой версией оборудования. Позже Милликен писал, что до сих пор он, «казалось, добился очень незначительных успехов как физик-экспериментатор!»[65]

В Берне в 1905 году Альберт Эйнштейн столкнется с фотоэлектрическим эффектом и выдвинет теорию, которая направит эксперименты Милликена. Эйнштейн изучал физику в Цюрихе, где по вечерам он продолжал работать со своей невестой Милевой Марич, физиком сербского происхождения и единственной женщиной на его курсе[66]. После своего последнего экзамена Эйнштейн не смог найти работу ассистента по физике, поэтому он временно занял низкооплачиваемую должность преподавателя в Винтертуре, в 20 км к северу. Однажды в 1901 году он написал Милеве, что «наполнен таким счастьем и радостью…»[67]. Возможно, она ожидала, что он будет счастлив, поскольку только что написала ему, что он вот-вот станет отцом. Но причина, по которой он был так взволнован, заключалась в ином: он только что наткнулся на экспериментальные результаты Ленарда по фотоэлектрическому эффекту, показывающие, что электроны могут порождаться ультрафиолетовым излучением.

Эйнштейн считал странным, что большинство областей физики были подобны частицам: атомы, электроны и колебания отдельных молекул, вызывающие нагревание, – все это зависело от движения отдельных дискретных объектов. Даже волны воды состояли из небольших частиц – молекул воды – в коллективном движении, в то время как звуковые волны были волнами давления в молекулах газа. И все же световые волны считались непрерывным явлением. Почему так?

Эйнштейн знал о недавней работе своего старшего коллеги, немецкого физика Макса Планка, поклонника глубокой, фундаментальной теоретической физики. В молодости Планк предпочел физику музыке, несмотря на то что его профессор физики говорил ему: «Почти все уже открыто, разве что осталось заполнить несколько дыр». Планк недавно пришел к новой увлекательной идее объединить различные области физики – механическую вибрацию (тепло) и электромагнетизм (свет). Планк начал с признания того, что определенно существует некоторая взаимосвязь между теплом и светом: объекты излучают разные цвета при разных температурах, поэтому горячие угли светятся красным, в то время как солнечный свет ближе к желтому или белому.

Когда я говорю «свет», я имею в виду не только видимый спектр. Свет – или, точнее, электромагнитное излучение – различается по частоте: от рентгеновских и гамма-лучей до инфракрасных и радиоволн. Но для наших целей я буду называть это просто светом. Так почему же объекты светятся определенным цветом? Что мешает раскаленным углям светиться фиолетовым, а планете Юпитер излучать рентгеновские лучи?[68] И снова классическая физика потерпела неудачу.

Предыдущие физики пытались определить свет, который будет излучаться своего рода упрощенным горячим объектом, называемым абсолютно черным телом, воображаемой сущностью, введенной в 1859 году, чтобы лучше понять, как излучается тепло. Черное тело – это то, что образовалось бы, если бы вы взяли коробку и держали ее при постоянной температуре. Со временем она будет производить уникальный вид света, называемый излучением черного тела[69]. Ключевой момент в излучении абсолютно черного тела заключается в том, что не имеет значения, каков размер этого тела – с горошину или с планету: пока оно идеально поглощает и испускает излучение, спектр света, который оно излучает, то есть количество света каждого цвета, излучаемого черным телом, всегда одинаково. Вот что делает его уникальным. Эксперименты по аппроксимации чернотельных излучателей показали что количество излучаемого света сначала всегда увеличивалось с частотой, достигало максимума при каком-то цвете, а затем снова уменьшалось при высокой частоте. Этот пик зависел только от температуры объекта. Похожее можно увидеть в кузнице, где металл сначала светится красным, затем – оранжевым, а затем – белым, по мере того как он нагревается, причем пик спектра смещается от красного к синему.

Использование классической физики для вычисления света, испускаемого абсолютно черным телом, привело к уравнению, которое вообще не соответствовало экспериментам. Более ранние расчеты британского физика лорда Рэлея предсказывали, что количество света, излучаемого в нижней (более красной) части спектра, будет небольшим, но затем, от желтого и зеленого к синему, фиолетовому и ультрафиолетовому, количество будет расти и расти, в конечном итоге достигнув максимума с высокоэнергетическим рентгеновским излучением и даже высокочастотным гамма-излучением. При каждом удвоении частоты количество излучаемого света должно увеличиваться в четыре раза. Но это явно неправильно: когда мы смотрим на мир, он не синий и фиолетовый[70] и не сжигает нас высокоэнергетическими рентгеновскими лучами. Вычисления были невозможны и потому, что если вы сложите общее количество световой мощности, излучаемой на всех частотах, то общая сумма будет бесконечной. Если бы это было правдой, то вся материя, даже самая холодная, излучала бы так интенсивно, что вся энергия исчезла бы в облаке высокочастотного света. Это было настолько парадоксально для теоретической физики, что само явление стало известно как «ультрафиолетовая катастрофа». Планк не мог смириться с такой ситуацией. Взявшись за эту проблему примерно в 1900 году[71], он понял, что в этих более ранних расчетах спектра излучения сделаны некоторые предположения о том, как энергия ведет себя внутри абсолютно черного тела. Предполагалось, что энергия может быть разделена между атомами (или «резонаторами») в черном теле любым способом, так что существует бесконечное множество способов распределения энергии[72]. Но это означало, что при суммировании общей излучаемой мощности складывались все эти возможные состояния, вот почему мощность получалась бесконечной. Планк понял, что можно прибегнуть к математическому трюку, чтобы избежать этой проблемы, но ему это не понравилось.

Если бы энергию можно было поглощать или излучать только порциями, то есть если бы энергия имела некоторый наименьший размер, то поделить ее можно только конечным количеством способов[73]. Точно так же, как вы можете разделить группу из 10 человек: у меня может быть пять человек в группе, и у вас пять, или у меня 10, а у вас ноль, или, возможно, четыре и шесть, но нет смысла делить группы на 2,32 и 7,68 человека. Потому что люди – дискретные, а не непрерывные объекты.

Планк рассматривал эту задачку так, как если бы энергия поступала дискретными порциями, и с математической точки зрения это ему помогло. Планк ввел наименьшую порцию энергии, которую он назвал квантом. Чтобы его математика работала, он также определил, что энергия может поступать только в целых числах, кратных этому базовому количеству. Размер этого количества энергии крошечный и связан с частотой света через новую физическую постоянную, введенную Планком, – h, которая, по его словам, имела значение около 6 × 10^–34 Дж · с[74]. Он не видел другого варианта, который дал бы правильный результат, но поскольку «теоретическое объяснение должно быть найдено любой ценой, сколь высокой она ни была бы»[75], он, чтобы разрешить проблему, предпринял то, что назвал «актом отчаяния».

Однако Эйнштейн серьезно отнесся к идее Планка. Он поверил, что энергия действительно приходит маленькими порциями, и сделал еще один шаг вперед. Он предположил, что сам свет состоит не из волн, а из тех же самых маленьких сгустков энергии – квантов. Выдвинув идею далеко за рамки того, что предполагал Планк, Эйнштейн сказал, что свет сам по себе дискретен и состоит из того, что мы сейчас назвали бы фотонами. Затем он выдвинул теорию, которая могла бы объяснить таинственный фотоэлектрический эффект.

Его теория гласила, что фотон отдает всю свою энергию одному электрону в металле. Энергия фотона была просто частотой (цветом), умноженной на постоянную, которую ранее придумал Планк, h. Он предположил, что, если провести эксперимент, в котором изменят частоту света и измерят энергию фотоэлектронов, результаты будут лежать на прямой линии, наклон которой будет равен значению h. Более яркий свет даст больше электронов, но их энергия будет зависеть только от частоты света. Эта теория также выдвинула и второе предположение – о том, что ниже определенной частоты не будет иметь значения, насколько ярок свет: электроны вообще не будут высвобождаться, поскольку энергия, поступающая от света, не будет достаточно высокой, чтобы электроны могли покинуть металл. Забудьте о температуре, говорил Эйнштейн, обратите внимание на частоту.

Когда он опубликовал свою статью в 1905 году, никто еще не провел детального исследования взаимосвязи между энергией и частотой, которое подтвердило бы теорию Эйнштейна. Но в Чикаго был один разочарованный экспериментатор, у которого были опыт, амбиции, а теперь и оборудование, чтобы все проверить.

Роберт Милликен не верил в теорию Эйнштейна, что на самом деле неудивительно, учитывая, что теория в целом была воспринята не очень хорошо. Даже Макс Планк не воспринял ее всерьез, несмотря на то что сам выдвинул идею кванта и был редактором журнала, который принял статью Эйнштейна для публикации. Планк считал идею Эйнштейна немного притянутой за уши и позже прокомментировал ее в рекомендательном письме: «Иногда, как, например, в его гипотезе о квантах света, он несколько перегибает палку в своих рассуждениях, но не стоит вменять это ему в вину»[77]. Однако Милликен действительно думал, что теория Эйнштейна неверна, потому что свет, очевидно, волна, а не частица. Он считал, что гипотеза о том, что свет состоит из квантов, «смелая, чтобы не сказать… безрассудная». Это шло вразрез с очевидными доказательствами волновой природы света, такими как двухщелевой опыт, который мы обсуждали ранее. Так как же свет может состоять из частиц?

Теперь можно было противопоставить теории Эйнштейна результаты экспериментов, и Милликен увидел шанс сделать себе имя в физике. Вернувшись в лабораторию, в 1907 году Милликен с удвоенной энергией принялся опровергать Эйнштейна.

К этому времени он и его команда подходили к проведению экспериментов донельзя въедливо, устраняя любой источник возможных ошибок в оборудовании. Они по-прежнему использовали ту же базовую установку – источник света, металлическую поверхность и устройство для подсчета электронов, – но она стала еще более сложной. Милликен перешел от использования источников света с искровым разрядником, где высоковольтные электроды образуют искры в газе для получения света, в том числе ультрафиолетового, к применению более стабильных источников света, потому что искры создавали электрические колебания и могли стать причиной ошибок. Он также решил, что для получения надежных результатов поверхность металла должна быть очень чистой, иначе они могли бы измерять фотоэлектрический эффект некоторого поверхностного налета оксида вместо чистого металла. В конце концов, к 1909 году[78] команда Милликена проработала конструкцию, в которую был включен острый нож, вращающийся внутри вакуумной системы и соскабливающий поверхность металла, прежде чем он подвергался воздействию света. Каждый раз, когда они направляли свет на металлическую поверхность, они измеряли энергию высвобождающихся электронов с помощью электрического поля, позволяющего их остановить.

От начала этого предприятия до публикации Милликеном окончательных результатов прошло 12 лет. За это время в его лаборатории работала и заканчивала учебу целая вереница студентов-исследователей. Он провел две крупные экспериментальные кампании в 1909 и 1912 годах и только в 1916 году опубликовал результаты. Первые эксперименты Милликена в 1903 году уже подтвердили, что фотоэлектрический эффект вообще не зависит от температуры. После того как Эйнштейн выдвинул свои предположения, Милликен вернулся к проблеме, полагая, что сможет доказать, что такая нелепая идея, как квант света, не нужна и что простой корректировки классической волновой теории достаточно для объяснения экспериментальных данных. Настойчивость, которую он проявил в своей попытке доказать неправоту Эйнштейна, практически граничила с одержимостью, и мы вправе задаться вопросом, почему ему потребовалось так много времени. Причина очень человеческая: результаты Милликена расстраивали и мучили его, потому что он пытался опровергнуть теорию Эйнштейна, хотя его эксперименты только доказывали обратное.

Почти каждое предсказание Эйнштейна подтвердилось. Энергия испускаемых электронов была прямо пропорциональна частоте падающего света. Милликен подтвердил и то, что ниже определенной частоты электроны вообще не измеряются, как это произошло бы, если бы свет состоял из квантов. Он даже измерил постоянную Планка, h, с точностью до 0,5 %, что, безусловно, было самым точным измерением на тот момент. Милликен нашел лучшее доказательство того, что теория, которую он намеревался опровергнуть, на самом деле верна.

В конце своей статьи 1916 года Милликен ясно дал понять, что он, хотя и принимает результаты эксперимента, все еще просто не может поверить в значение того, что обнаружил. Довольно естественно предположить, что, несмотря на несогласие Милликена с этой новой теорией, его результаты заставили бы всех других физиков внезапно принять точку зрения Эйнштейна о том, что свет состоит из квантов, но нет. Милликен доказал теорию Эйнштейна, но никто так и не принимал идею о том, что свет состоит из частиц, поэтому большинство ученых совершенно спокойно просто игнорировали эту концепцию света, считая проблему фотоэлектрического эффекта неразрешенной.

Они избегали, казалось бы, уродливой и нелогичной концепции: если вы примете во внимание результаты Милликена, показывающие, что свет действует как поток частиц, и многовековые свидетельства, показывающие, что свет действует как волна, вывод должен заключаться в том, что свету свойственна природа как частицы, так и волны.

Как тогда пошутил Уильям Генри Брэгг, британско-австралийский физик, теоретики квантовой физики «описывают свет как волну по понедельникам, вторникам и средам, и как частицу по четвергам, пятницам и субботам». Но, как бы мы его ни описывали, мы просто должны принимать реальность такой, какая она есть. Иногда очень сильный интуитивный образ природы приводит нас к убеждению, что что-то должно быть либо А (волна), либо Б (частица). Но в некоторых ситуациях мы можем использовать A – волновую теорию, а в других ситуациях мы можем использовать Б – корпускулярную теорию. Ни то ни другое нельзя считать неправильным, и применимость каждой из теорий зависит от того, как именно мы проводим наши эксперименты.

Что следует прояснить, так это вопрос о том, как работает эксперимент Юнга с двумя щелями, если рассматривать свет как частицу. Если мы проведем эксперимент Юнга только с одним фотоном за раз, что произойдет? Даже в этой ситуации каждый отдельный фотон будет действовать как волна, и, если вы подождете, пока достаточное количество одиночных фотонов не сформирует узор на экране, вы увидите ту же интерференционную картину, что и при использовании более мощной лазерной указки. Кажется, что каждый отдельный фотон каким-то образом проходит через обе щели. Это нормально, если вы думаете о свете как о волне, но это сбивает с толку, если вы думаете о нем как о частице.

Да, Эйнштейн выдвинул удивительную теорию о квантах света, но именно Роберт Милликен кропотливо собирал доказательства того, что природа действительно ведет себя таким образом. Однако о нем вообще мало кто слышал.

Объяснение фотоэлектрического эффекта было настолько важным, что в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия за его квантовую теорию света, а не за его более известную теорию относительности. Два года спустя, в 1923 году, Роберт Милликен[79] тоже был удостоен Нобелевской премии. Ко времени своей вступительной речи он немного изменил предысторию, заявив, что все это время намеревался подтвердить теорию Эйнштейна и рассчитать постоянную Планка. И ему, и остальному физическому сообществу потребовалось очень много времени, чтобы просто принять то, что на самом деле показали его результаты.

Сегодня квантовая механика – лучшее описание реальности в мельчайших масштабах, которое у нас есть, и это не пространная философия. Появившаяся в итоге теория, которая полностью описывает корпускулярную (частицы) и волновую природу света, теперь называется квантовой электродинамикой (КЭД), и потребовалось еще 40 лет после экспериментов Милликена, чтобы она была по-настоящему воплощена. КЭД включает в себя как квантовую механику, так и специальную теорию относительности Эйнштейна, позже мы вернемся к ней более подробно. Сегодня важной особенностью КЭД является то, что мы можем использовать ее для вычисления величин в природе с точностью до одной миллиардной. Ученые во многих областях и высокотехнологичных отраслях промышленности в настоящее время ежедневно используют квантовую механику в той или иной форме, и все мы используем ее результаты в нашей повседневной жизни, даже не осознавая этого. Отсутствие ответа на вопрос, почему природа ведет себя таким образом (и мы действительно не можем ответить, почему), не означает, что мы не можем изучить ее и использовать полученные знания.

Идея, которую изучал Милликен, – и которая, как мы теперь понимаем, заключается в том, что свет передает энергию электронам как в вакууме, так и внутри материалов, – это не просто что-то, что однажды произошло в лабораторном эксперименте и было забыто. Совсем наоборот.

Сегодня мы работаем за ноутбуками и можем пультом включить кондиционер. Внутри этого пульта дистанционного управления находится LED (светоизлучающий диод), который посылает двоичный сигнал в невидимом (инфракрасном) свете. Когда мы нажимаем кнопку, фотоны с пульта дистанционного управления выходят наружу и попадают на детектирующий фотодиод, установленный в кондиционере, и – точно так же, как в экспериментах Милликена, – эти фотоны высвобождают электроны, придавая им кинетическую энергию. Фотодиод изготовлен из материала, называемого полупроводником, который может быть расположен в два слоя. Благодаря этому образуется переход, который позволяет электричеству легче течь в одном направлении, чем в другом, поэтому фотодиоды пропускают электричество, когда на них падает свет[80]. Кондиционер реагирует на полученный электрический сигнал, интерпретируя двоичный шаблон и следуя нашей команде. Двоичный шаблон для телевизора отличается от двоичного шаблона для кондиционера, именно поэтому им удается не путать друг друга. Кому-то во времена Милликена все это показалось бы чистым волшебством.

Свойства полупроводниковых материалов в сочетании с физикой фотоэлектрического эффекта позволили в 1940-х годах разработать широкий спектр электрических компонентов, которые в настоящее время производятся в огромных количествах по всему миру. Солнечные (или фотоэлектрические) элементы представляют собой тип фотодиода, который преобразует фотоны от Солнца в электрический ток, достаточно эффективный для питания домов и предприятий. Они позволили осуществить некоторые феноменальные человеческие начинания, такие как спутниковая связь и освоение космоса, но это не единственное их применение. Эти крошечные фотодиоды используются во множестве окружающих нас технологий.

Все эти датчики, включающие свет, когда вы входите в комнату, выдающие мыло, открывающие для вас двери, используют датчики приближения, которые отражают инфракрасный свет от объекта (вас) и обратно на фотодиод. Чем ближе что-то находится, тем больше света будет отражаться, что создает электрический ток. Это та же технология, которая используется в большинстве систем безопасности.

Причина, по которой фотоэлектрические устройства так полезны, заключается в том, что они выдают ток, пропорциональный количеству падающего на них света, – пока частота достаточна для испускания электронов, больше света означает больше электронов и, следовательно, больше тока. Это означает, что выходной сигнал является линейным и хорошо работает с другими нашими электрическими и электронными компонентами. Например, спортивные часы с GPS теперь используют фотодиоды в оптических пульсометрах для непрерывного измерения пульса владельца через его запястье. Зеленый свет просвечивает кожу, и с каждым сердечным циклом количество света, отраженного от кровотока под кожей, изменяется, фотодиод улавливает эти изменения, после чего алгоритм вычисляет и отображает частоту сердечных сокращений[81]. Ваш смартфон определяет, светло на улице или темно, и автоматически регулирует яркость экрана в зависимости от количества падающего на него света. Эта же технология используется для автоматического переключения приборных панелей автомобиля с дневного режима на ночной и управления диафрагмой и выдержкой на современной цифровой камере.

Косвенные области применения фотодиодов, применимы во всех лазерных измерениях, а это значит, что они нужны в процессе геодезической съемки и выравнивания для почти каждой дороги и почти каждого здания, для приема световых сигналов в сетях связи, использующих оптические волокна. Если у вас есть высокоскоростной доступ в интернет, эта сеть использует фотодиоды для преобразования сигналов из света обратно в электрические импульсы для передачи вам информации со всего мира. Их используют наши спидометры и одометры, а также системы обратной связи, которые обеспечивают бесперебойную работу двигателей электромобилей. Фотодиоды необходимы для управления положением, скоростью и операциями многих автоматизированных процессов на заводах.

Все это свидетельствует о нашем понимании фотоэлектрического эффекта и было бы невозможно без базовых знаний в области фундаментальной физики, пришедших из этих первых фундаментальных экспериментов. Исследования Милликена – вместе с двухщелевым опытом и данными об излучении абсолютно черного тела – дали физикам прочную основу для построения нового квантово-механического взгляда на реальность. Когда квантовая механика утвердилась, ее применение быстро вышло за рамки объяснения света. Квантовая механика – это теория, которая описывает всю материю.

После вклада Эйнштейна и Планка многие другие физики присоединились к развитию квантовой механики. С каждой новой проблемой, возникающей в физике, квантовая механика развивалась и выясняла, как ее решить. Это было особенно важно, когда речь заходила о природе материи. Модель атома Резерфорда – крошечное ядро и вращающийся электрон из главы 2 – казалась несостоятельной, когда физики поняли, что она должна быть нестабильной: электроны должны испускать излучение, двигаясь по направлению к ядру по светоизлучающей смертельной спирали. Но Нильс Бор, молодой датский физик-теоретик, решил эту проблему, использовав идею квантования для объяснения того, как электроны расположены вокруг ядра. Электроны могут обладать только определенными значениями энергии – их энергия также квантуется, что означает, что они вращаются на расстояниях от ядра в зависимости от их значений энергии[82]. Электроны могут перемещаться вверх или вниз между энергетическими уровнями, поглощая или испуская излучение в форме света (фотона), но они не могут находиться между этими уровнями. Существует также минимальное значение энергии электрона, когда он находится максимально близко к ядру.

Только в 1923 году французский аристократ Луи де Бройль, младший сын герцога де Бройля, продолжил то, на чем остановился Эйнштейн, задаваясь вопросом, почему физика по-разному трактует свет и материю. В своей докторской диссертации Луи де Бройль отметил, что квантовая физика, по-видимому, согласна с тем, что свет может вести себя как частицы, но в таком случае верно ли обратное? Могут ли материальные частицы вести себя подобно волнам? Как оказалось, да. Любая частица или материя – массивная, как протон, или легкая, как фотон, – также имеет волновую природу, и соотношение между энергией и частотой волны описывается формулой E = hf, где h (опять же) – постоянная Планка. Появившаяся теория, волновая механика, могла описать все виды нового поведения атомов и частиц. Она даже объяснила, что субатомные частицы не являются твердыми объектами, а просто имеют определенную вероятность быть обнаруженными в определенном состоянии или месте в любой момент времени.

В идею о том, что материя состоит из волн, трудно поверить. Когда вы ложитесь, вы не проваливаетесь сквозь пол; если вы попытаетесь пройти через прозрачную стеклянную дверь, то, как ни странно, у вас не получится это сделать. Все это заставляет нас верить, что наше тело – твердый объект, а материя, из которой оно состоит, представляет собой непрерывную, цельную поверхность. И все же мы сделаны почти полностью из ничего. Даже с учетом более раннего представления о том, что материя состоит из твердых частиц, где ядро и электроны имеют некоторый определенный размер, объем фактической материи в каждом атоме настолько мал, что если бы вы взяли всю материю каждого человека на Земле и собрали ее вместе, то вы могли бы поместить ее в пространство размером не больше кубика сахара. Но теперь, как мы видим, даже это не так просто, потому что «материя» – не абсолютно твердая. С появлением квантовой механики все изменилось.

Эти новые идеи вызвали ажиотаж не только в физике, но и во всем обществе. Это остро ощутил художник Василий Кандинский, который написал:

…разложение атома… отозвалось во мне подобно внезапному разрушению всего мира. Внезапно рухнули толстые своды. Все стало неверным, шатким и мягким. Я бы не удивился, если бы камень поднялся на воздух и растворился в нем. Наука казалась мне уничтоженной[83].

Материя не является определенной или детерминированной, она связана с вероятностями и волнами. Плотность материи – всего лишь следствие взаимодействия между волнообразными сущностями. Электронные волны, отталкиваясь от других электронных волн, заставляют вас постоянно парить немного выше поверхности, на которой вы сейчас сидите или стоите. Насколько нам известно, все, что происходит в мире, а также в нашем теле и разуме, возникает в результате этих мелкомасштабных взаимодействий. Это открывает совершенно новый взгляд на наших собратьев-людей.

Если это путает ваше чувство реальности, вы не одиноки. Вы испытываете то, что испытывали Милликен, Кандинский, Планк, Резерфорд, Бор и даже Эйнштейн, пытаясь это принять. Мы не осознаем корпускулярно-волновую природу материи, потому что мы не способны взаимодействовать с материей так, чтобы замечать это в повседневной жизни. Мы видим мир в человеческом масштабе, а не в квантовом. Мы не видим волнообразных свойств повседневных предметов, потому что длины волн настолько малы, что мы не можем их измерить. Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу объекта – его массе, умноженной на его скорость, – поэтому, как только что-то имеет массу и энергию крикетного мяча, брошенного со скоростью 160 км/ч, его длина волны уменьшается всего до одной миллиардной миллиардной миллиардной доли микрометра (которую мы можем записать как десятичный знак, за которым следуют 33 нуля и затем единица, в научном обозначении – 1 × 10^–34 м). Когда мы переходим к масштабу людей, длины волн становятся еще меньше: объект – например, Усэйн Болт, бегущий дистанцию 100 метров, – имеет длину волны в 200 раз меньше длины волны мяча для крикета, примерно 5 × 10^–37 м[84]. Эти длины волн слишком малы, чтобы мы могли заметить волноподобное поведение, поэтому нам остается только использовать классическую физику, чтобы приблизительно оценить их движение, и это сойдет нам с рук. Но мы не можем этого сделать, когда переходим к таким объектам как атомы и частицы, и в этом масштабе все эксперименты, проведенные с момента открытия квантов, говорят нам, что квантовая механика права.

Но видели ли мы когда-нибудь волновую природу частиц? Безусловно, да. В 1925 году, вскоре после работы де Бройля, американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер из компании Western Electric (позже – Bell Labs) провели первый эксперимент по бомбардировке электронами (длина волны которых составляла примерно нанометр) кристаллической структуры никеля в металле и продемонстрировали, что электроны образуют интерференционные картины совсем как световые волны. Молекула диаметром всего в нанометр имеет длину волны де Бройля менее 1 пикометра (тысячная доля нанометра), и с ними тоже наблюдалась интерференция. Среди физиков существует что-то вроде соревнования за самый большой объект, который продемонстрирует интерференцию в эксперименте с двумя щелями. Нынешняя рекордсменка – Сандра Эйбенбергер, которая провела мастерский эксперимент во время своей докторской диссертации в 2013 году в Вене и наблюдала интерференцию у гигантских молекул, содержащих 800 атомов, которые содержат более 10 000 отдельных субатомных частиц[85]. В этом масштабе длина волны молекулы составляет около 500 фемтометров, что примерно в 10 000 раз меньше, чем сама молекула. Возможно ли создать интерференционные картины с живыми биологическими объектами, такими как вирусы или бактерии, что станет совсем новым полем для дискуссии о том, разрушит ли сознание волновую природу эксперимента или живые организмы также могут находиться в двух местах одновременно, когда они проходят через экран с двумя прорезями. Предполагается, что на осуществление такого эксперимента потребуется около 10 лет.

Один из ключевых моментов корпускулярно-волнового дуализма, который иногда ставит в тупик даже физиков, звучит так: проявляет ли отдельный электрон интерференцию – точно так же, как одиночные фотоны в двухщелевом опыте? Конечно, да. К тому времени, когда эти эксперименты были проведены в 1970-х годах, все предполагали, что это уже было доказано. Итальянская команда во главе с Джулио Поцци в Болонье и японская команда во главе с Акирой Тономурой[86]в компании Hitachi (два эксперимента были независимыми) даже не опубликовали свои результаты в физическом журнале, выбрав вместо этого образовательный журнал[87]. Так как они уже признали, что частицы имеют волновую природу, они не думали, что вообще открывают что-то новое. Просто к 1970-м годам у команд было оборудование, позволившее им провести эксперимент, – устройство, в работе которого лежит принцип корпускулярно-волнового дуализма и которое оказалось более распространенным, чем большинство из нас думает: электронный микроскоп.

Электронные микроскопы были впервые изобретены в 1930х годах, но в настоящее время вы можете купить одно из этих устройств примерно за 2–3 млн долл. у высокотехнологичного поставщика. Насколько они распространены? По всему миру их десятки тысяч. Через кампус от моей физической лаборатории в Мельбурнском университете домом таких устройств служит биологический институт под названием Bio21.

В здании чисто, светло, оно наполнено разным оборудованием, а ученые в белых халатах заполняют каждую комнату, но лаборатория электронной микроскопии представляет собой разительный контраст со стеллажами с коническими колбами и пробирками, раковинами и вытяжными шкафами. Электронный микроскоп – это цилиндрическое металлическое устройство высотой в несколько метров, оснащенное электронными стойками, которое занимает специально отведенное помещение. Зеленый луч перемещается по флуоресцентному экрану через смотровое окошко. Один компьютер управляет устройством и позволяет пользователям видеть изображения так же, как в обычный оптический микроскоп.

Многих разных исследователей, использующих эти микроскопы, объединяет потребность видеть крошечные объекты и то, как они взаимодействуют, вплоть до атомного масштаба.

К сожалению, это выходит за рамки возможностей обычных оптических микроскопов, которые могут измерять объекты лишь в пределах своего разрешения, которое составляет 200 нанометров, что соответствует увеличению в 2000 раз. В случае биологических молекул и даже некоторых электронных компонентов обычный микроскоп дает нечеткое изображение, потому что может увидеть только то, что того же размера, что и длина волны используемого света, или больше.

Используя электронный микроскоп, исследователи пользуются тем фактом, что частицы также имеют длину волны – длину волны де Бройля, – и чем выше энергия электрона, тем меньше длина волны. Это позволяет электронным микроскопам работать на длинах волн до пикометров, позволяя видеть объекты с точностью до нанометра – миллиардной доли метра – или даже меньше. Способность видеть в таком масштабе привела к взрывному росту применения «нанотехнологий» с конца 1980-х годов, позволив ученым и инженерам изучать и создавать атом за атомом структуры и соединения, используемые во всех отраслях – от производства текстиля и продуктов питания до разработки лекарств.

Квантовая механика и корпускулярно-волновой дуализм важны не только для физиков, изучающих атомы, – они также прямо влияют на химию и биологию. Квантовая механика оказывает прямое влияние на то, как молекулы формируются, взаимодействуют и связываются: это мотивация для исследований в области квантовой химии. В биологии многие фундаментальные жизненные процессы носят квантово-механический характер. Новая область квантовой биологии только начинает то, что не смогла классическая физика, а разнообразие процессов, для объяснения которых требуется квантовая механика, изумляет: от фотосинтеза до того, как птицы ориентируются во время миграции.

Все современные электронные устройства основаны на понимании квантовой механики. Эволюция от первых вакуумных ламп, с которыми мы столкнулись в начале книги, до транзисторов и микросхем, которые есть во всех современных телефонах, компьютерах, автомобилях и бытовой технике, завязана на квантовых эффектах. В частности, на том, что волноподобные электроны в кремнии могут принимать только определенные значения энергии, поэтому создают «энергетические уровни» – подобно электронам вокруг атома, – однако при объединении множества атомов в кристаллообразную структуру допустимые уровни энергии меняются[88]. Поскольку теперь мы понимаем физику этого процесса, мы можем очень точно управлять свойствами кремния, используя методы, с которыми познакомимся позже в этой книге.

Проблемы классической физики в конечном итоге привели к совершенно новому описанию природы в малых масштабах – квантовой механике. В разгар всего этого Роберт Милликен и его команда провели 12 разочаровывающих лет в лаборатории, совершенствуя свое мастерство, чтобы собрать эту первую важную информацию о деталях фотоэлектрического эффекта, показав, что безрассудная теория Эйнштейна оказалась правильной. Милликен не изобрел квантовую механику, но его эксперименты были важны для установления того, что квантово-механические теории действительно отражают реальность природы. Вот как прогрессирует знание. Не бывает внезапного момента вдохновения, но мы все равно пробираемся вперед в темноте, часто подолгу выискивая детали. В конце концов, все встает на свои места, и в нашем сознании начинает формироваться новый образ окружающего мира.

Сегодня мы празднуем квантовую механику как теоретический и концептуальный триумф, и это, несомненно, верно, но без экспериментов мы никогда бы не узнали, что квантовая механика на самом деле описывает поведение нашего мира. Мы бы никогда не смогли использовать ее – в практическом смысле – так, как мы это делаем сейчас. Из этих подробных и сложных экспериментов выросло наше понимание субатомного мира. Эти знания сыграли большую роль в создании электронных устройств, компьютеров, солнечных панелей и приборов, способных отображать объекты в масштабах, недоступных оптическим микроскопам, – и все это основано на странных последствиях того, что субатомный мир ведет себя не в соответствии с классической физикой.

Мы проследили, как несколько экспериментов развенчали классическую физику, опровергли идею атома как мельчайшей частицы материи и привели к совершенно новому взгляду на физику, в котором атомы, состоящие в основном из пустого пространства, могут изменяться со временем, свет может вести себя как частица, а частицы могут вести себя как волны. Рентгеновское излучение и электрон, радиоактивность и атомное ядро, а теперь и квантовая механика навсегда изменили наш мир. Но в запасе остались и другие неожиданности. Последние несколько глав мы изучали глубины материи, но пришло время поднять глаза. Обратим внимание на сюрпризы природы, которые буквально посыпались на ученых сверху.