Между тем этот великий эксперимент, принципиальная схема которого легла в основу всей экспериментальной ядерной физики XX века, впервые позволил увидеть строение атомов. А непосредственная интерпретация сводилась к следующему. Вещество образца в основном прозрачно для альфа-частиц, но в него как бы вкраплены отдельные центры, несущие довольно большой положительный электрический заряд и имеющие чрезвычайно малый (по сравнению с атомным!) размер, причем именно в них сосредоточена вся масса вещества. Изредка налетая на такие центры, положительно заряженные альфа-частицы испытывали сильное отталкивание согласно закону Кулона для одноименных зарядов и рассеивались на очень большие углы. Отсюда и был сделан вывод о существовании атомных ядер. Поскольку атомы в целом электронейтральны, большой целочисленный (в единицах заряда электрона) положительный заряд каждого ядра должен компенсироваться соответствующим числом отрицательно заряженных электронов в атоме.
Так появилась знаменитая резерфордовская модель атома, работа над которой была завершена к 1911 году. В настоящее время картинка - несколько электронных орбит вокруг центрального ядра, наглядное изображение этой модели - стала своеобразным символом ядерных исследований.
Впрочем, рассказ об этом открытии нуждается, по крайней мере, в одном очень полезном уточнении. Планетарный (по аналогии с изображением солнечной системы) образ атома отнюдь не обязан своим появлением результатам резерфордовских экспериментов. Он зародился гораздо раньше. Еще в 1903 году японский физик X. Нагаока в докладе на заседании Токийского физико-математического общества выдвинул модель, где электронные оболочки располагались вокруг центрального тела наподобие колец планеты Сатурн. Через пару лет к разработке планетарной схемы строения атомов приступил Дж. Стони. Существовали и конкурирующие модели. Самая важная среди них была сформулирована учителем Э. Резерфорда Дж. Дж. Томсоном вскоре после открытия электрона. Дж. Дж. Томсон полагал, что электроны атома плавают в некотором облаке положительно заряженного вещества; и до поры до времени его идеи не противоречили результатам измерений.
В общем, исследования Э. Резерфорда и его сотрудников возникли не на пустом месте, более того, они были специально направлены на выяснение роли положительного электричества в атомной структуре. Значение их открытия трудно переоценить, но нельзя и забывать, что оно было серьезно подготовлено предшествующими теоретическими гипотезами.
Такая подготовка играет в физике всегда очень большую роль, поскольку эксперимент и теория состоят, вообще говоря, в весьма сложных взаимоотношениях. Казалось бы, куда проще: экспериментатор задал вопрос Природе, получил ясный ответ, потом пришел теоретик написал нужное уравнение, получил подходящее решение и нарисовал несколько простых картинок для объяснения своей заумной математики нормальными человеческими понятиями. Если экспериментатор ошибся и через какое-то время даст теоретику совсем противоположные результаты, то последний волей-неволей начнет говорить о совсем иных решениях, нарисует новые картинки и... снова не менее успешно объяснит новые данные. Недаром ведь по поводу способности теоретиков "объяснять что угодно" едва ли не в каждой крупной лаборатории существуют анекдотические, но вполне правдивые истории.
Разумеется, в нарисованную здесь примитивную схему может поверить только несведущий человек. Ни один опыт никогда не ставился без определенной цели, по принципам известного сказочного персонажа - "пойди туда, не знаю куда, принеси то, не знаю что". Экспериментатор всегда имеет некоторое предварительное представление о том, что следует искать. Это представление может быть весьма приближенным и даже в конечном счете неправильным, но оно обязательно существует.
Физики часто характеризуют такую ситуацию мудреным на первый взгляд оборотом: "Экспериментатор работает под определенную модель". По существу же, идея крайне проста. До постановки опыта всякое угадывание конечных результатов эквивалентно формулировке той или иной теоретической гипотезы. Гипотезу можно выдвинуть на основе уже существующей модели или придумать собственную оригинальную модель - это дело опыта и возможностей. Можно вообще ничего не придумывать, а выяснять мнение у находящихся поблизости авторитетных коллег! Но в любом случае поставленный эксперимент в первую очередь послужит целям проверки той модели, на которую ориентируется его автор.
Обратимся еще раз к истории открытия радиоактивности. Под какую модель работал А. Беккерель?
Основная его гипотеза заключалась в том, что фосфоресцирующие вещества могут испускать наряду с видимым светом еще и проникающее излучение типа рентгеновского. Первым опытам А. Беккереля как раз и предстояло дать ответ на вопрос: могут или не могут?
Результаты оказались положительными и были немедленно опубликованы. Их ценность заключалась именно в том, что они не противоречили принятой модели, более того, первоначально А. Беккерель был уверен, что доказал свою гипотезу. И лишь после известного нам казуса (я уверен, что плохая погода сослужила верную службу не одному выдающемуся достижению в физике) он исключил из своей гипотезы предположение, будто таинственное излучение связано с влиянием солнечного света, а вскоре и предположение, что оно связано с фосфоресценцией. Постепенно у него сформировалась новая модель: вещество испускает излучение неизвестной природы, если в состав образца включен уран; причем основные свойства этого излучения - высокая проникающая способность и независимость от внешних воздействий на источник. Именно последнее свойство резко отличало "лучи Беккереля" от рентгеновских лучей, которые были неразрывно связаны с работой катодной трубки.
Да, теория не пассивный созерцатель, а активный соавтор в добыче новых экспериментальных фактов. Без фактов может остаться на долгое время в тени любая, даже самая интересная идея, но и самый важный факт может "проскочить" мимо исследователя, если тот не вооружен соответствующими гипотезами. Это один из наиболее универсальных законов развития науки, и всякое крупное его нарушение сопровождается грустным комментарием историков: "Такая-то работа значительно опередила свое время и осталась почти незамеченной", или: "Время такого-то открытия еще не наступило".
Мало кому сейчас известно, что в середине прошлого века В. Вебер, прославившийся работами по электромагнетизму и изобретениями многих приборов, развил теорию, в которой фигурировали "атомы электричества", вращающиеся вокруг центрального ядра, и оказался, по-видимому, первооткрывателем планетарной модели атома. Несомненно, его идеи повлияли на ряд последующих поисков. Но, как мы помним, даже появившиеся через 50-60 лет после веберовских работ модели X. Нагаока и Дж. Стони, основанные не на гипотезе, а на факте существования электрона, обратили на себя внимание лишь в связи с экспериментами в резерфордовской лаборатории. А вот другой факт из истории физики. Еще в 1887 году А. Шустер, варьируя отклонения катодных лучей в магнитном поле, измерил отношение заряда к массе для частиц, из которых, по его мнению, состояли эти лучи.
Таким образом, при наличии более развитых теоретических представлений дата рождения физики элементарных частиц могла сдвинуться вниз на целых 10 лет! Да что уж там 10 лет! В истории науки имеются куда более поразительные примеры. Теоретическая недостаточность построений Аристарха Самосского, который впервые пытался обосновать наблюдениями гелиоцентрическую картину солнечной системы, но был абсолютно уверен в строго круговой форме планетарных орбит, примерно на 17 веков задержала развитие научной астрономии.
На фоне всех этих, в общем-то, несложных правил и примеров явно выделяется один очень интересный эффект, который я обозначил бы как "феномен предоткрытия". Этот эффект сыграл настолько выдающуюся роль в период зарождения физики элементарных частиц, да и на всех последующих этапах ее развития, что на его описании просто нельзя не остановиться.
Что мы понимаем под открытием? Прежде всего, экспериментальные результаты, которые позволяют включить в систему научного знания новый объект или новое явление. Не так ли? Но как быть в том случае, когда новый объект или явление начинает активную жизнь в научной теории задолго до их экспериментального обнаружения, по крайней мере, до прямой регистрации?
"А разве такое возможно?" - спросит скептик.
"Не вижу никаких сложностей, - ответит ему эрудит. - Целые планеты открывались сначала "на кончике пера". Просто один ученый может сделать теоретическое предсказание, а потом он сам или кто другой ставит опыт и проверяет, справедливо ли оно. Только после опыта следует говорить о настоящем открытии. Но, конечно, и предсказание дает немалый вклад в общее дело- оно заставляет поторопиться с постановкой важных экспериментов".
Эрудит в основном прав. Он высказал довольно распространенное мнение, но не учел одного любопытного обстоятельства - очень часто теоретически предсказанные объекты или явления играют в науке гораздо более ответственные и полезные роли. Происходит это приблизительно так.
Во многих случаях между теоретической гипотезой и ее экспериментальным подтверждением или опровержением ученые успевают несколько раз (а то и десятки раз!) сменить календарь. Идут годы, часть предсказаний устаревает, о них потихоньку забывают, как говорится, сдают в архив. Другую же часть ожидает совсем иная судьба - интерес к ним не затухает, а, наоборот, все сильней разгорается, по поводу гипотетических объектов ведутся споры на конференциях, им посвящают научные статьи, даже целые монографии. Причины такого интереса нетрудно установить. Гипотеза начинает все шире применяться для развития самой теории, на ее основе пытаются объяснить результаты широкого круга экспериментов. Первые же успехи на этом пути еще больше подталкивают ученых к убеждению, что идея хороша и ею стоит заняться подробней. Иногда благодаря многолетней активной работе исследователей гипотетические объекты настолько хорошо вписываются в свой раздел науки, что в момент появления долгожданных прямых экспериментальных доказательств мало кто из современников способен удержаться от легкого всплеска недоумения: "Ну и что! Все и так об этом знали..."
Замечательные превращения некоторых теоретических гипотез в почти достоверные факты и составляют суть "феномена предоткрытия". Предварительность, явно звучащая в этом термине, не случайна. Многие предоткрытия, даже попавшие на страницы учебников в качестве прописных истин, так и не избавились от приставки "пред". Последующие эксперименты их не подтвердили, и они были забыты так же прочно, как и рядовые неудачные предсказания. С примерами на эту тему нам еще предстоит встретиться, а пока обратимся к рассказу о более счастливых ситуациях.
НА АРЕНЕ ПОЯВЛЯЮТСЯ ФОТОН И ПРОТОН
На роли патриархов физики элементарных частиц наряду с электроном претендуют, по крайней мере, еще две частицы - фотон и протон. Помимо многих и весьма разнообразных заслуг перед наукой, они представляют собой превосходные образцы объектов, предоткрытых задолго до непосредственного экспериментального обнаружения.
В последние десятилетия прошлого века было установлено, что поверхности любых металлов способны испускать поток отрицательно заряженных лучей не только под действием разности потенциалов, но и при сильном их разогреве или при падении на их поверхность света. Эти явления были названы термоэлектрическим и фотоэлектрическим эффектами соответственно. Сразу же вслед за разгадкой природы катодных лучей исследователи доказали, что оба указанных эффекта тоже сводятся к испусканию потока электронов.
Таким образом, на пороге XX века в физику вошло довольно ясное представление об электроне как о непременной составляющей структуры вещества. Действительно, практически любой доступный экспериментатору образец вещества можно было заставить испускать поток электронов, подействовав одним из трех факторов: разностью потенциалов, теплом или светом. В общем, была понятна и роль каждого из этих факторов - они представляли собой просто разные способы сообщить электрону, заточенному в веществе, некоторую энергию, необходимую для его вызволения. Но разве физики могут удовлетвориться только таким, чисто качественным объяснением! Необходимо было согласовать основные закономерности всех эффектов с существовавшей в то время теорией. Но именно на этом пути исследователи столкнулись с неожиданными и, казалось бы, непреодолимыми препятствиями.
Надо сказать, что как раз на рубеже столетий произошло крайне важное для теоретической физики событие - окончательно оформилась классическая электродинамика, претендовавшая на полное и последовательное описание электрических и магнитных явлений. Великая заслуга создателей этой науки английских физиков М. Фарадея и Дж. Максвелла состояла в том, что они ввели в рассмотрение новый объект, особое состояние материи - электромагнитное поле. Благодаря этому все известные электрические, магнитные и даже световые явления можно было свести к нескольким фундаментальным законам распространения электромагнитного поля в пространстве и его взаимодействия с электрическими зарядами. После того, как на арену физических исследований вышла первая элементарная частица - электрон, усилия теоретиков и экспериментаторов сосредоточились на поиске конкретных закономерностей его поведения под действием электромагнитного поля.
Этот пункт оказался своеобразным средоточием веры и надежды. Физики верили в классическую электродинамику, которая позволила единым образом описать десятки разрозненных фактов в блестящем согласии с опытными данными. Поэтому они вполне серьезно надеялись на успех теории и в применении к электронам. Дело было, конечно, не только в простой надежде на успех. Вопрос ставился принципиально: справится ли существующая теория с описанием взаимодействия электромагнитного поля с электроном - мельчайшей структурной составляющей вещества? Положительный ответ на этот вопрос оказался бы величайшим триумфом теории, а отрицательный - наносил непоправимый ущерб ее основам.
В такой ситуации подробное изучение фотоэффекта давало физикам исключительную возможность для экспериментальной проверки теоретических предсказаний. Согласно классической электродинамике свет представляет собой совокупность электромагнитных волн - именно в форме волн проявляется электромагнитное поле в этом случае. Всякую волну можно характеризовать, например, интенсивностью и частотой (или величиной, обратно пропорциональной частоте, - длиной волны). Чем интенсивней поле, тем больше энергии оно несет. Что же происходит во время фотоэффекта?
Чтобы вырвать с поверхности металла электрон, каким-то образом связанный с остальными элементами вещества, электромагнитная волна должна "накачивать его энергией" до тех пор, пока эта связь не порвется, то есть кинетическая энергия электрона превзойдет по абсолютной величине его потенциальную энергию. После этого электрон покидает образец вещества с некоторой скоростью. В такой картине ясно, что чем интенсивней свет, тем большую энергию способен он передать электрону и тот будет вылетать из образца с большей скоростью.
Между тем экспериментальные данные по фотоэффекту давали совсем иную, весьма странную с точки зрения электродинамики картину. Начнем с того, что от интенсивности света, падающего на образец вещества, зависело только количество вылетающих электронов. Чем более интенсивный источник света использовался в опыте, тем больше электронов вылетало, тем сильней был вызываемый ими ток, регистрировавшийся специальным устройством. Скорость же электронов (или их кинетическая энергия) зависела только от длины волны падающего света! Удивительная ситуация - в результате облучения металлического образца, скажем, синим светом, электроны вылетали бы со значительно большими скоростями, чем в случае облучения красным светом. Но какова связь между окраской света и энергией, которую он передает электронам?
Известно было, что электромагнитные волны, соответствующие красному цвету, имеют большую длину волны, чем "синие" волны, то есть меньшую частоту. Но опять-таки классическая электродинамика не могла уловить связь между частотой я энергией.
Создалось весьма странное положение. С одной стороны, перед физиками лежала простая закономерность, добытая опытным путем: кинетическая энергия вылетающих электронов пропорциональна частоте света, которым облучают образец вещества. С другой стороны - превосходная теория, объяснившая десятки гораздо более сложных явлений, здесь, в простейшем, казалось бы, но чрезвычайно важном случае, совершенно бессильна... Естественный и очень красивый выход был предложен в 1905 году двадцатишестилетним А. Эйнштейном.
Этот год стал звездным не только для скромного клерка Швейцарского патентного бюро, успевшего буквально за несколько месяцев написать основополагающие статьи по квантовой теории и теории относительности, но и для всей физики XX века. Одна из этих статей и была посвящена разрешению загадок фотоэффекта.
А. Эйнштейн предположил, что поток электромагнитного излучения, падающий на поверхность вещества, можно представить как совокупность отдельных частиц - световых квантов; причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте света или, что то же самое, обратно пропорциональна длине волны. Это была воистину революционная идея, так как очень уж трудно совместить друг с другом противоположные представления- непрерывная, плавно меняющаяся в пространстве волна и поток частичек, несущих определенные энергию и импульс и занимающих каждая небольшую область пространства...
Каждый из вас, наверное, наблюдал такую приятную картину. Ленивая волна набегает на берег. В песке лежит небольшой камень, набегающая волна раскачивает его, камень сначала немного сдвигается в сторону берега, потом возвращается вместе с водой. Через некоторое время волны могут либо окончательно вытолкнуть его на берег, либо утащить с собой на "дно морское". Но вот подбежал мальчишка-озорник и швырнул горсть камешков в сторону моря. Они не долетели до воды, врезались в самую кромку волн. Представьте себе, что камешки были брошены довольно сильно и один из них попал в тот самый камень, за колебаниями которого вы так долго следили. От сильного удара он сорвался с места и сразу же исчез под водой.
Нечто подобное должно было происходить и при падении света на вещество. Вместо длительного раскачивания электрона - мгновенное соударение, в котором квант света (это и есть новая элементарная частица) передает электрону энергию, необходимую для того, чтобы тот порвал связи с атомом и вылетел на свободу. Так получается потому, что электрон очень мал и "чувствует" зернистую структуру электромагнитного излучения, прерывистость электромагнитного поля. Когда же мы рассматриваем задачу о падении электромагнитных волн на большой и тяжелый объект, картина снова будет соответствовать представлению о непрерывном, плавно меняющемся поле.
Гипотеза световых квантов, несмотря на резкое противоречие с классической электродинамикой, не только утвердилась в физике, но вскоре стала применяться при описании механизма излучения атомом. Непосредственного доказательства существования новых частиц - световых квантов - пришлось дожидаться около 20 лет, но это не были годы пассивного ожидания. Можно без всякого преувеличения сказать, что эйнштейновская модель вынесла на своих плечах весь первый период развития квантовых идей.
Прямая экспериментальная регистрация квантов света (более широко квантов электромагнитного поля!) произошла в процессе исследования рентгеновских лучей. Как мы помним, примерно к 1912 году была доказана их электромагнитная природа. Однако при рассеянии веществом рентгеновские лучи обнаруживали несколько странное поведение - часть рассеянных волн имела меньшую частоту. Эффект уменьшения частоты (или увеличения длины волны) был найден уже в 1913 году, и это был еще один факт, противоречащий классической электродинамике, не допускавшей, чтобы рассеяние волн сопровождалось такого рода изменениями. Через 9 лет молодой американский физик А. Комптон, тщательно исследовавший странное явление, пришел к выводу, что наблюдаемое уменьшение частоты связано с потерей импульса световыми квантами в результате соударений с электронами. Тем самым было доказано, что квант, как и любая другая частица, несет и энергию и импульс
А. Комптон придумал для новых частиц отличное название - фотоны. С тех пор сдвиг длины волны рассеянного излучения именуется "эффектом Комптона".
Не менее интересна и история предоткрытия, а потом и экспериментального обнаружения третьего патриарха микромира - протона. В этой истории удивительно сильно сконцентрированы все надежды и достижения первопроходцев физики элементарных частиц.
Четкая формулировка исходной гипотезы о существовании некой частицы, несущей положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, но имеющей примерно в 1840 раз большую, чем у электрона, массу, принадлежит Э. Резерфорду. Она логически неизбежно вытекала из результатов работ по классификации известных атомных ядер. Все они выстраивались в последовательную цепочку по величине электрического заряда, который, в свою очередь, соответствовал порядковому номеру вещества в периодической системе элементов Д. Менделеева. Таким образом, ядро атома водорода, несущее единичный положительный заряд, должно было представлять собой элементарный объект, который одновременно играл роль строительного кирпичика для остальных ядер.
Гипотеза Э Резерфорда была настолько естественна и остальные параметры этой, названной протоном, частицы были вычислены до того надежно, что, пожалуй, ни у кого и не должно было возникнуть серьезных сомнений в ее существовании Прямая же экспериментальная регистрация новой частицы состоялась только через несколько лет, в 1925 году.
Вскоре после открытия атомных ядер Э Резерфорд поставил перед своей лабораторией труднейшую задачу- вызвать искусственную радиоактивность, обстреливая ядра альфа-частицами.
Действительно, если ядра способны к самопроизвольным превращениям, в результате которых происходит испускание, например, тех же альфа-частиц (так называемая естественная радиоактивность), то почему нельзя добиться аналогичных превращений искусственно, с помощью подобающих "мер внушения"?
Сам Э. Резерфорд предпринял, начиная с 1919 года, ряд попыток расщепить ядро; но полученные им данные не были достаточно убедительны. Тогда эстафету учителя принял представитель старой резерфордовской гвардии П. Блэккет.
Изучая рассеяние альфа-частиц на азоте, П. Блэккет блестяще справился с предложенной проблемой. Но новая элементарная частица не очень-то стремилась к саморекламе. В процессе ее поиска ему пришлось пересмотреть более 20 тысяч фотографий, где было зарегистрировано около полумиллиона траекторий одних только альфа-частиц. И лишь среди них он сумел отыскать восемь редких событий: ядра азота захватывали альфа-частицу и превращались в ядра кислорода, испуская протон!
Так на физическую сцену вышел главный герой современной физики высоких энергий - протон. У него пока почти все впереди. Он еще доставит десятки бессонных ночей экспериментаторам, теоретикам, конструкторам уникальных приборов. Одно упоминание о нем будет приводить в трепет правительственные комиссии по финансированию науки. И в довершение всего он окажется на редкость "неблагодарным" - первым из представителей микромира подаст глубоко обоснованный протест по поводу столь привычного и безобидного прилагательного "элементарный". Но все это впереди, а пока нам необходимо в корне пресечь одно назревающее недоразумение.
Только что было сказано, что протон обнаружился при просмотре фотографий. А можно ли сделать фотопортрет элементарного объекта, размеры которого примерно в сто тысяч раз меньше атома? Любой начинающий фотолюбитель скажет, что этого не может быть. И окажется вполне прав, хотя... портреты протона все-таки существуют.
Фотопленка фиксирует, конечно же, не самих героев микромира, а следы, которые они оставляют в том или ином веществе, и которые, как правило, видны даже невооруженным глазом. Но наши герои - великие конспираторы: они никогда не оставляют следов где попало. Поэтому вещество, в котором мы хотим зафиксировать движение микрочастиц, должно быть приведено в особое состояние и реагировать на появление долгожданных гостей так, чтобы глаза или фотоаппарат могли уловить эту реакцию. В общем, это напоминает устройство специальных полос разрыхленной земли вдоль государственных границ - любой пешеход-нарушитель поневоле должен оставить свою "визитную карточку".
Так появилась знаменитая резерфордовская модель атома, работа над которой была завершена к 1911 году. В настоящее время картинка - несколько электронных орбит вокруг центрального ядра, наглядное изображение этой модели - стала своеобразным символом ядерных исследований.
Впрочем, рассказ об этом открытии нуждается, по крайней мере, в одном очень полезном уточнении. Планетарный (по аналогии с изображением солнечной системы) образ атома отнюдь не обязан своим появлением результатам резерфордовских экспериментов. Он зародился гораздо раньше. Еще в 1903 году японский физик X. Нагаока в докладе на заседании Токийского физико-математического общества выдвинул модель, где электронные оболочки располагались вокруг центрального тела наподобие колец планеты Сатурн. Через пару лет к разработке планетарной схемы строения атомов приступил Дж. Стони. Существовали и конкурирующие модели. Самая важная среди них была сформулирована учителем Э. Резерфорда Дж. Дж. Томсоном вскоре после открытия электрона. Дж. Дж. Томсон полагал, что электроны атома плавают в некотором облаке положительно заряженного вещества; и до поры до времени его идеи не противоречили результатам измерений.
В общем, исследования Э. Резерфорда и его сотрудников возникли не на пустом месте, более того, они были специально направлены на выяснение роли положительного электричества в атомной структуре. Значение их открытия трудно переоценить, но нельзя и забывать, что оно было серьезно подготовлено предшествующими теоретическими гипотезами.
Такая подготовка играет в физике всегда очень большую роль, поскольку эксперимент и теория состоят, вообще говоря, в весьма сложных взаимоотношениях. Казалось бы, куда проще: экспериментатор задал вопрос Природе, получил ясный ответ, потом пришел теоретик написал нужное уравнение, получил подходящее решение и нарисовал несколько простых картинок для объяснения своей заумной математики нормальными человеческими понятиями. Если экспериментатор ошибся и через какое-то время даст теоретику совсем противоположные результаты, то последний волей-неволей начнет говорить о совсем иных решениях, нарисует новые картинки и... снова не менее успешно объяснит новые данные. Недаром ведь по поводу способности теоретиков "объяснять что угодно" едва ли не в каждой крупной лаборатории существуют анекдотические, но вполне правдивые истории.
Разумеется, в нарисованную здесь примитивную схему может поверить только несведущий человек. Ни один опыт никогда не ставился без определенной цели, по принципам известного сказочного персонажа - "пойди туда, не знаю куда, принеси то, не знаю что". Экспериментатор всегда имеет некоторое предварительное представление о том, что следует искать. Это представление может быть весьма приближенным и даже в конечном счете неправильным, но оно обязательно существует.
Физики часто характеризуют такую ситуацию мудреным на первый взгляд оборотом: "Экспериментатор работает под определенную модель". По существу же, идея крайне проста. До постановки опыта всякое угадывание конечных результатов эквивалентно формулировке той или иной теоретической гипотезы. Гипотезу можно выдвинуть на основе уже существующей модели или придумать собственную оригинальную модель - это дело опыта и возможностей. Можно вообще ничего не придумывать, а выяснять мнение у находящихся поблизости авторитетных коллег! Но в любом случае поставленный эксперимент в первую очередь послужит целям проверки той модели, на которую ориентируется его автор.
Обратимся еще раз к истории открытия радиоактивности. Под какую модель работал А. Беккерель?
Основная его гипотеза заключалась в том, что фосфоресцирующие вещества могут испускать наряду с видимым светом еще и проникающее излучение типа рентгеновского. Первым опытам А. Беккереля как раз и предстояло дать ответ на вопрос: могут или не могут?
Результаты оказались положительными и были немедленно опубликованы. Их ценность заключалась именно в том, что они не противоречили принятой модели, более того, первоначально А. Беккерель был уверен, что доказал свою гипотезу. И лишь после известного нам казуса (я уверен, что плохая погода сослужила верную службу не одному выдающемуся достижению в физике) он исключил из своей гипотезы предположение, будто таинственное излучение связано с влиянием солнечного света, а вскоре и предположение, что оно связано с фосфоресценцией. Постепенно у него сформировалась новая модель: вещество испускает излучение неизвестной природы, если в состав образца включен уран; причем основные свойства этого излучения - высокая проникающая способность и независимость от внешних воздействий на источник. Именно последнее свойство резко отличало "лучи Беккереля" от рентгеновских лучей, которые были неразрывно связаны с работой катодной трубки.
Да, теория не пассивный созерцатель, а активный соавтор в добыче новых экспериментальных фактов. Без фактов может остаться на долгое время в тени любая, даже самая интересная идея, но и самый важный факт может "проскочить" мимо исследователя, если тот не вооружен соответствующими гипотезами. Это один из наиболее универсальных законов развития науки, и всякое крупное его нарушение сопровождается грустным комментарием историков: "Такая-то работа значительно опередила свое время и осталась почти незамеченной", или: "Время такого-то открытия еще не наступило".
Мало кому сейчас известно, что в середине прошлого века В. Вебер, прославившийся работами по электромагнетизму и изобретениями многих приборов, развил теорию, в которой фигурировали "атомы электричества", вращающиеся вокруг центрального ядра, и оказался, по-видимому, первооткрывателем планетарной модели атома. Несомненно, его идеи повлияли на ряд последующих поисков. Но, как мы помним, даже появившиеся через 50-60 лет после веберовских работ модели X. Нагаока и Дж. Стони, основанные не на гипотезе, а на факте существования электрона, обратили на себя внимание лишь в связи с экспериментами в резерфордовской лаборатории. А вот другой факт из истории физики. Еще в 1887 году А. Шустер, варьируя отклонения катодных лучей в магнитном поле, измерил отношение заряда к массе для частиц, из которых, по его мнению, состояли эти лучи.
Таким образом, при наличии более развитых теоретических представлений дата рождения физики элементарных частиц могла сдвинуться вниз на целых 10 лет! Да что уж там 10 лет! В истории науки имеются куда более поразительные примеры. Теоретическая недостаточность построений Аристарха Самосского, который впервые пытался обосновать наблюдениями гелиоцентрическую картину солнечной системы, но был абсолютно уверен в строго круговой форме планетарных орбит, примерно на 17 веков задержала развитие научной астрономии.
На фоне всех этих, в общем-то, несложных правил и примеров явно выделяется один очень интересный эффект, который я обозначил бы как "феномен предоткрытия". Этот эффект сыграл настолько выдающуюся роль в период зарождения физики элементарных частиц, да и на всех последующих этапах ее развития, что на его описании просто нельзя не остановиться.
Что мы понимаем под открытием? Прежде всего, экспериментальные результаты, которые позволяют включить в систему научного знания новый объект или новое явление. Не так ли? Но как быть в том случае, когда новый объект или явление начинает активную жизнь в научной теории задолго до их экспериментального обнаружения, по крайней мере, до прямой регистрации?
"А разве такое возможно?" - спросит скептик.
"Не вижу никаких сложностей, - ответит ему эрудит. - Целые планеты открывались сначала "на кончике пера". Просто один ученый может сделать теоретическое предсказание, а потом он сам или кто другой ставит опыт и проверяет, справедливо ли оно. Только после опыта следует говорить о настоящем открытии. Но, конечно, и предсказание дает немалый вклад в общее дело- оно заставляет поторопиться с постановкой важных экспериментов".
Эрудит в основном прав. Он высказал довольно распространенное мнение, но не учел одного любопытного обстоятельства - очень часто теоретически предсказанные объекты или явления играют в науке гораздо более ответственные и полезные роли. Происходит это приблизительно так.
Во многих случаях между теоретической гипотезой и ее экспериментальным подтверждением или опровержением ученые успевают несколько раз (а то и десятки раз!) сменить календарь. Идут годы, часть предсказаний устаревает, о них потихоньку забывают, как говорится, сдают в архив. Другую же часть ожидает совсем иная судьба - интерес к ним не затухает, а, наоборот, все сильней разгорается, по поводу гипотетических объектов ведутся споры на конференциях, им посвящают научные статьи, даже целые монографии. Причины такого интереса нетрудно установить. Гипотеза начинает все шире применяться для развития самой теории, на ее основе пытаются объяснить результаты широкого круга экспериментов. Первые же успехи на этом пути еще больше подталкивают ученых к убеждению, что идея хороша и ею стоит заняться подробней. Иногда благодаря многолетней активной работе исследователей гипотетические объекты настолько хорошо вписываются в свой раздел науки, что в момент появления долгожданных прямых экспериментальных доказательств мало кто из современников способен удержаться от легкого всплеска недоумения: "Ну и что! Все и так об этом знали..."
Замечательные превращения некоторых теоретических гипотез в почти достоверные факты и составляют суть "феномена предоткрытия". Предварительность, явно звучащая в этом термине, не случайна. Многие предоткрытия, даже попавшие на страницы учебников в качестве прописных истин, так и не избавились от приставки "пред". Последующие эксперименты их не подтвердили, и они были забыты так же прочно, как и рядовые неудачные предсказания. С примерами на эту тему нам еще предстоит встретиться, а пока обратимся к рассказу о более счастливых ситуациях.
НА АРЕНЕ ПОЯВЛЯЮТСЯ ФОТОН И ПРОТОН
На роли патриархов физики элементарных частиц наряду с электроном претендуют, по крайней мере, еще две частицы - фотон и протон. Помимо многих и весьма разнообразных заслуг перед наукой, они представляют собой превосходные образцы объектов, предоткрытых задолго до непосредственного экспериментального обнаружения.
В последние десятилетия прошлого века было установлено, что поверхности любых металлов способны испускать поток отрицательно заряженных лучей не только под действием разности потенциалов, но и при сильном их разогреве или при падении на их поверхность света. Эти явления были названы термоэлектрическим и фотоэлектрическим эффектами соответственно. Сразу же вслед за разгадкой природы катодных лучей исследователи доказали, что оба указанных эффекта тоже сводятся к испусканию потока электронов.
Таким образом, на пороге XX века в физику вошло довольно ясное представление об электроне как о непременной составляющей структуры вещества. Действительно, практически любой доступный экспериментатору образец вещества можно было заставить испускать поток электронов, подействовав одним из трех факторов: разностью потенциалов, теплом или светом. В общем, была понятна и роль каждого из этих факторов - они представляли собой просто разные способы сообщить электрону, заточенному в веществе, некоторую энергию, необходимую для его вызволения. Но разве физики могут удовлетвориться только таким, чисто качественным объяснением! Необходимо было согласовать основные закономерности всех эффектов с существовавшей в то время теорией. Но именно на этом пути исследователи столкнулись с неожиданными и, казалось бы, непреодолимыми препятствиями.
Надо сказать, что как раз на рубеже столетий произошло крайне важное для теоретической физики событие - окончательно оформилась классическая электродинамика, претендовавшая на полное и последовательное описание электрических и магнитных явлений. Великая заслуга создателей этой науки английских физиков М. Фарадея и Дж. Максвелла состояла в том, что они ввели в рассмотрение новый объект, особое состояние материи - электромагнитное поле. Благодаря этому все известные электрические, магнитные и даже световые явления можно было свести к нескольким фундаментальным законам распространения электромагнитного поля в пространстве и его взаимодействия с электрическими зарядами. После того, как на арену физических исследований вышла первая элементарная частица - электрон, усилия теоретиков и экспериментаторов сосредоточились на поиске конкретных закономерностей его поведения под действием электромагнитного поля.
Этот пункт оказался своеобразным средоточием веры и надежды. Физики верили в классическую электродинамику, которая позволила единым образом описать десятки разрозненных фактов в блестящем согласии с опытными данными. Поэтому они вполне серьезно надеялись на успех теории и в применении к электронам. Дело было, конечно, не только в простой надежде на успех. Вопрос ставился принципиально: справится ли существующая теория с описанием взаимодействия электромагнитного поля с электроном - мельчайшей структурной составляющей вещества? Положительный ответ на этот вопрос оказался бы величайшим триумфом теории, а отрицательный - наносил непоправимый ущерб ее основам.
В такой ситуации подробное изучение фотоэффекта давало физикам исключительную возможность для экспериментальной проверки теоретических предсказаний. Согласно классической электродинамике свет представляет собой совокупность электромагнитных волн - именно в форме волн проявляется электромагнитное поле в этом случае. Всякую волну можно характеризовать, например, интенсивностью и частотой (или величиной, обратно пропорциональной частоте, - длиной волны). Чем интенсивней поле, тем больше энергии оно несет. Что же происходит во время фотоэффекта?
Чтобы вырвать с поверхности металла электрон, каким-то образом связанный с остальными элементами вещества, электромагнитная волна должна "накачивать его энергией" до тех пор, пока эта связь не порвется, то есть кинетическая энергия электрона превзойдет по абсолютной величине его потенциальную энергию. После этого электрон покидает образец вещества с некоторой скоростью. В такой картине ясно, что чем интенсивней свет, тем большую энергию способен он передать электрону и тот будет вылетать из образца с большей скоростью.
Между тем экспериментальные данные по фотоэффекту давали совсем иную, весьма странную с точки зрения электродинамики картину. Начнем с того, что от интенсивности света, падающего на образец вещества, зависело только количество вылетающих электронов. Чем более интенсивный источник света использовался в опыте, тем больше электронов вылетало, тем сильней был вызываемый ими ток, регистрировавшийся специальным устройством. Скорость же электронов (или их кинетическая энергия) зависела только от длины волны падающего света! Удивительная ситуация - в результате облучения металлического образца, скажем, синим светом, электроны вылетали бы со значительно большими скоростями, чем в случае облучения красным светом. Но какова связь между окраской света и энергией, которую он передает электронам?
Известно было, что электромагнитные волны, соответствующие красному цвету, имеют большую длину волны, чем "синие" волны, то есть меньшую частоту. Но опять-таки классическая электродинамика не могла уловить связь между частотой я энергией.
Создалось весьма странное положение. С одной стороны, перед физиками лежала простая закономерность, добытая опытным путем: кинетическая энергия вылетающих электронов пропорциональна частоте света, которым облучают образец вещества. С другой стороны - превосходная теория, объяснившая десятки гораздо более сложных явлений, здесь, в простейшем, казалось бы, но чрезвычайно важном случае, совершенно бессильна... Естественный и очень красивый выход был предложен в 1905 году двадцатишестилетним А. Эйнштейном.
Этот год стал звездным не только для скромного клерка Швейцарского патентного бюро, успевшего буквально за несколько месяцев написать основополагающие статьи по квантовой теории и теории относительности, но и для всей физики XX века. Одна из этих статей и была посвящена разрешению загадок фотоэффекта.
А. Эйнштейн предположил, что поток электромагнитного излучения, падающий на поверхность вещества, можно представить как совокупность отдельных частиц - световых квантов; причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте света или, что то же самое, обратно пропорциональна длине волны. Это была воистину революционная идея, так как очень уж трудно совместить друг с другом противоположные представления- непрерывная, плавно меняющаяся в пространстве волна и поток частичек, несущих определенные энергию и импульс и занимающих каждая небольшую область пространства...
Каждый из вас, наверное, наблюдал такую приятную картину. Ленивая волна набегает на берег. В песке лежит небольшой камень, набегающая волна раскачивает его, камень сначала немного сдвигается в сторону берега, потом возвращается вместе с водой. Через некоторое время волны могут либо окончательно вытолкнуть его на берег, либо утащить с собой на "дно морское". Но вот подбежал мальчишка-озорник и швырнул горсть камешков в сторону моря. Они не долетели до воды, врезались в самую кромку волн. Представьте себе, что камешки были брошены довольно сильно и один из них попал в тот самый камень, за колебаниями которого вы так долго следили. От сильного удара он сорвался с места и сразу же исчез под водой.
Нечто подобное должно было происходить и при падении света на вещество. Вместо длительного раскачивания электрона - мгновенное соударение, в котором квант света (это и есть новая элементарная частица) передает электрону энергию, необходимую для того, чтобы тот порвал связи с атомом и вылетел на свободу. Так получается потому, что электрон очень мал и "чувствует" зернистую структуру электромагнитного излучения, прерывистость электромагнитного поля. Когда же мы рассматриваем задачу о падении электромагнитных волн на большой и тяжелый объект, картина снова будет соответствовать представлению о непрерывном, плавно меняющемся поле.
Гипотеза световых квантов, несмотря на резкое противоречие с классической электродинамикой, не только утвердилась в физике, но вскоре стала применяться при описании механизма излучения атомом. Непосредственного доказательства существования новых частиц - световых квантов - пришлось дожидаться около 20 лет, но это не были годы пассивного ожидания. Можно без всякого преувеличения сказать, что эйнштейновская модель вынесла на своих плечах весь первый период развития квантовых идей.
Прямая экспериментальная регистрация квантов света (более широко квантов электромагнитного поля!) произошла в процессе исследования рентгеновских лучей. Как мы помним, примерно к 1912 году была доказана их электромагнитная природа. Однако при рассеянии веществом рентгеновские лучи обнаруживали несколько странное поведение - часть рассеянных волн имела меньшую частоту. Эффект уменьшения частоты (или увеличения длины волны) был найден уже в 1913 году, и это был еще один факт, противоречащий классической электродинамике, не допускавшей, чтобы рассеяние волн сопровождалось такого рода изменениями. Через 9 лет молодой американский физик А. Комптон, тщательно исследовавший странное явление, пришел к выводу, что наблюдаемое уменьшение частоты связано с потерей импульса световыми квантами в результате соударений с электронами. Тем самым было доказано, что квант, как и любая другая частица, несет и энергию и импульс
А. Комптон придумал для новых частиц отличное название - фотоны. С тех пор сдвиг длины волны рассеянного излучения именуется "эффектом Комптона".
Не менее интересна и история предоткрытия, а потом и экспериментального обнаружения третьего патриарха микромира - протона. В этой истории удивительно сильно сконцентрированы все надежды и достижения первопроходцев физики элементарных частиц.
Четкая формулировка исходной гипотезы о существовании некой частицы, несущей положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, но имеющей примерно в 1840 раз большую, чем у электрона, массу, принадлежит Э. Резерфорду. Она логически неизбежно вытекала из результатов работ по классификации известных атомных ядер. Все они выстраивались в последовательную цепочку по величине электрического заряда, который, в свою очередь, соответствовал порядковому номеру вещества в периодической системе элементов Д. Менделеева. Таким образом, ядро атома водорода, несущее единичный положительный заряд, должно было представлять собой элементарный объект, который одновременно играл роль строительного кирпичика для остальных ядер.
Гипотеза Э Резерфорда была настолько естественна и остальные параметры этой, названной протоном, частицы были вычислены до того надежно, что, пожалуй, ни у кого и не должно было возникнуть серьезных сомнений в ее существовании Прямая же экспериментальная регистрация новой частицы состоялась только через несколько лет, в 1925 году.
Вскоре после открытия атомных ядер Э Резерфорд поставил перед своей лабораторией труднейшую задачу- вызвать искусственную радиоактивность, обстреливая ядра альфа-частицами.
Действительно, если ядра способны к самопроизвольным превращениям, в результате которых происходит испускание, например, тех же альфа-частиц (так называемая естественная радиоактивность), то почему нельзя добиться аналогичных превращений искусственно, с помощью подобающих "мер внушения"?
Сам Э. Резерфорд предпринял, начиная с 1919 года, ряд попыток расщепить ядро; но полученные им данные не были достаточно убедительны. Тогда эстафету учителя принял представитель старой резерфордовской гвардии П. Блэккет.
Изучая рассеяние альфа-частиц на азоте, П. Блэккет блестяще справился с предложенной проблемой. Но новая элементарная частица не очень-то стремилась к саморекламе. В процессе ее поиска ему пришлось пересмотреть более 20 тысяч фотографий, где было зарегистрировано около полумиллиона траекторий одних только альфа-частиц. И лишь среди них он сумел отыскать восемь редких событий: ядра азота захватывали альфа-частицу и превращались в ядра кислорода, испуская протон!
Так на физическую сцену вышел главный герой современной физики высоких энергий - протон. У него пока почти все впереди. Он еще доставит десятки бессонных ночей экспериментаторам, теоретикам, конструкторам уникальных приборов. Одно упоминание о нем будет приводить в трепет правительственные комиссии по финансированию науки. И в довершение всего он окажется на редкость "неблагодарным" - первым из представителей микромира подаст глубоко обоснованный протест по поводу столь привычного и безобидного прилагательного "элементарный". Но все это впереди, а пока нам необходимо в корне пресечь одно назревающее недоразумение.
Только что было сказано, что протон обнаружился при просмотре фотографий. А можно ли сделать фотопортрет элементарного объекта, размеры которого примерно в сто тысяч раз меньше атома? Любой начинающий фотолюбитель скажет, что этого не может быть. И окажется вполне прав, хотя... портреты протона все-таки существуют.
Фотопленка фиксирует, конечно же, не самих героев микромира, а следы, которые они оставляют в том или ином веществе, и которые, как правило, видны даже невооруженным глазом. Но наши герои - великие конспираторы: они никогда не оставляют следов где попало. Поэтому вещество, в котором мы хотим зафиксировать движение микрочастиц, должно быть приведено в особое состояние и реагировать на появление долгожданных гостей так, чтобы глаза или фотоаппарат могли уловить эту реакцию. В общем, это напоминает устройство специальных полос разрыхленной земли вдоль государственных границ - любой пешеход-нарушитель поневоле должен оставить свою "визитную карточку".