Азерников Валентин Захарович. Неслучайные случайности

   На какое-то время это и впрямь удалось им, и заслуга здесь несомненно принадлежит Резерфорду, в сентябре 1898 года отплывшему из Англии в Канаду, чтобы провести там девять лет своей жизни — если не самые плодотворные, то очень плодотворные, обогатившие науку и принесшие самому ученому мировую известность.
   Это был отважный шаг: бросить одну из лучших в мире лабораторий, находящихся в центре научных интересов, и отправиться за тридевять земель — на пустое место, где нет ни предшественников, ни сподвижников, ни традиций, ни даже новых приборов. Комментируя решимость Резерфорда, академик Капица писал: «Мне кажется, это особенно поучительно для молодых ученых. Часто приходится слышать от молодых, начинающих ученых жалобы на то, что они не могут работать, потому что нет подходящих условий, нет подходящей лаборатории, нет того, нет другого. А теперь представьте себе молодого ученого, попадающего на другой конец света от своей родины, совершенно изолированного от всего научного мира, куда в те времена и журналы приходили с опозданием больше месяца. Но этот человек полон идей, полон энтузиазма, и в этом далеком уголке мира он создает самые передовые, самые революционные, самые ведущие взгляды в науке того времени… Он привлекает этим молодых ученых всего мира, и к нему начинают уже съезжаться ученики».
   Первым был американец Р. Оуэнс; правда, ему не нужно было никуда ехать, он уже год, как работал в Мак-Гиллском университете профессором электротехники. Он был так же молод, как Резерфорд, ему было всего двадцать восемь, и два молодых профессора быстро подружились. Вероятно, Оуэнс сразу же почувствовал в Резерфорде то качество, о ротором говорит Капица, потому что не успел Эрнест, что называется, распаковать чемоданы, как профессор электротехники возжелал бросить исследования в области электротехники и взяться за радиоактивность и потребовал от Эрнеста немедленного совета — чем заняться. Ответ был таким же лаконичным, как и вопрос: торием.
   Почему Резерфорд назвал этот элемент? Интуиция, вероятно: ведь об открытии Мари Кюри, обнаружившей радиоактивность тория, в Канаде еще не знали. И тем не менее Резерфорд безошибочно угадал среди многих других элементов тот, что мог, подобно урану, испускать альфа — и бета-лучи.
   Вскоре Оуэнс подтвердил: торий действительно радиоактивен. Но он не успел стать автором этого открытия, из Парижа вскоре дошла весть, что Кюри уже обнаружили радиоактивность тория. Однако Оуэнс не бросил, огорчившись, изучение нового элемента.
   Было нечто мистическое в том, как торий вел себя; он то усиливал свою радиоактивность, то ослаблял, то вовсе она исчезала, чтобы тут же вновь обнаружиться; словом, или торий капризничал, или капризничали измерительные приборы. Проверили приборы — и Оуэнс и Резерфорд были по этой части большими мастаками, — нет, не в приборах дело. Вскоре Оуэнс вроде бы нашел причину, но она не объясняла сути явления. Он обнаружил, по его словам, «нечто, что не было ни торием, ни альфа-, ни бета-частицами и что улетало, если на него подуть». Получалось, что на радиоактивность элемента влияет сквозняк. Однако каким смешным ни казалось такое предположение, оно подтверждалось как будто экспериментами. Оуэнс соорудил плотный ящик, помещал туда кусочек окиси тория и ждал пятнадцать минут, пока успокоятся даже слабые воздушные перемещения, — только тогда радиоактивность была нормальной. Но стоило подуть в ящик, и все шло насмарку, и снова надо было выжидать четверть часа, чтобы успокоился капризный элемент. Так и не выяснив, в чем здесь дело, Оуэнс к весне свернул исследования и уехал в Англию навестить профессора Дж. Дж. Томсона.
   Резерфорд остался один и смог наконец спокойно поразмыслить над чудесами, происходившими в пресловутом ящике. Размышления привели его к идее перестроить этот ящик таким образом, чтобы можно было исследовать воздух, уносивший радиоактивность тория. Через несколько месяцев Эрнест наконец разобрался, в чем тут дело. Оказалось, что в воздухе содержались два вещества, имеющие временную радиоактивность. Одно из них было явно газом, оно проходило сквозь бумажный пакетик, в который была завернута окись тория, но Резерфорду не удавалось его непосредственно нащупать — газ не имел ни запаха, ни вкуса, через какое-то время исчезал вовсе, и поэтому, чтобы не ставить точек над "i", Резерфорд назвал таинственное вещество эманацией тория, от латинского слова «эмано» — истекать.
   Так Резерфорд открыл инертный газ, получивший позже название «радон» и занимающий свое прочное место в таблице Менделеева в клеточке под номером 86.
   Другое вещество было еще непонятнее. Его можно было обнаружить по радиоактивности в самых укромных уголках ящика, куда непосредственно лучи тория не могли попасть, но куда вполне могла залететь эманация. Вещество это не было пылью, ибо воздухом не удавалось его сдуть; оно не было конденсатом эманации, то есть ее росой, так как пламя не удаляло его с тех предметов, на которые оно садилось; его нельзя было смыть ни горячей, ни холодной водой, а также ни крепкими щелочами, ни крепкими кислотами; но оно совершенно легко, за секунды, растворялось в разбавленной серной или соляной кислоте и вновь возникало на дне чашки после испарения кислоты, словно легендарная птица Феникс.
   Ясно было одно: это вещество как-то связано с эманацией тория и, может быть, даже является продуктом ее распада, но четких фактов Резерфорд пока не имел, а о таком понятии, как изотопы, наука еще не знала, поэтому Эрнест еще не понял, что здесь происходит обычный, по нашим представлениям, радиоактивный распад тория с выделением радиоактивного изотопа радона, который в свою очередь распадается с образованием нового изотопа, то есть процесс, знакомый сегодня каждому школьнику. Но не знаю, помнит ли каждый школьник, что именно Резерфорд все же докопался до сути этих непонятных превращений, впервые введя понятие «радиоактивный распад».
   Но это было чуть позже, через несколько лет. Сейчас же, в сентябре 1899 года, он сделал то, что на его месте сделал бы любой ученый: написал статью о том, что наблюдал, точнее — две статьи: одну об эманации тория, другую — о радиоактивности, возбуждаемой этой самой эманацией, и отправил их в Англию в научный журнал. После чего снова взял в руки перо, но уже чтобы написать не статью, а письмо, и не в Англию, а в Новую Зеландию, и не редактору журнала, а Мэри Ньютон. В нем он сделал два важных признания: первое — в том, что в ближайший же отпуск он собирается приехать домой и сделать ей наконец официальное предложение стать миссис Резерфорд, а второе — что он хорошо поработал и совершил серьезное открытие. «В прошлый четверг, — написал он Мэри, — я послал еще одну большую статью в журнал, очень хорошую статью. Хотя это только мое мнение, в ней тысячи новых фактов, о которых никто даже не подозревает. И этого достаточно, чтобы сказать, что дело идет об очень серьезном научном открытии».
   Он еще даже сам не подозревал, насколько оно серьезно; он только догадывался, что это первая ступень, ведущая к более важным обобщениям. Но для этого ему недоставало еще одного звена, только тогда замкнется цепь интуитивных догадок о радиоактивных превращениях веществ, догадок, ведущих свое начало от той первой, высказанной еще на студенческом обществе, за которую он потом извинялся.
   И пока он раздумывал о странностях тория и готовился к поездке домой, в столице Англии, в одной частной химической лаборатории, ковалось то недостающее звено, которого так не хватало Резерфорду.
   Лаборатория эта принадлежала сэру Вильяму Круксу, знакомому нам по его знаменитым трубкам. Крукс слыл большим оригиналом. Оригинальность его проявлялась и во внешности — он носил длинные навощенные усы и их кончики тщательно закручивал, — и в образе жизни: исследовательскую лабораторию построил прямо у себя в особняке и занимался наукой, не выходя из дому.
   В конце 1899 года, то есть тогда, когда Резерфорд отправил в Англию свои статьи по радиоактивности, Крукс также заинтересовался данной проблемой. Он на время свернул частную консультативную химическую практику, которой занимался не для заработка — он был состоятельным человеком, — а из любви к химии, поручил помощникам следить за изданием еженедельного химического журнала, который выпускал также не корысти ради, и всерьез засел в своей лаборатории.
   Из того, что он прочел о радиоактивности, он понял, что ее обнаружить можно либо с помощью электроскопа, либо с помощью фотографических пластинок. В первом приборе он не очень разбирался, а в фотографии был докой и поэтому остановил свой выбор на втором методе, более сложном, но, как всякая знакомая дорога, в конечном счете более коротком. Итак, вооружившись урановым препаратом, фотопластинками и терпением, он решил попытаться выделить радий, как это делали на континенте супруги Кюри. Правда, его технология выделения несколько отличалась от технологии Кюри. Как, впрочем, оказались отличными и результаты: когда он приготовил наконец желанный азотнокислый уранил, оказалось, что тот никакого воздействия на фотопластинки не производит.
   Пришлось начать все сначала, но уже с оглядкой. Через некоторое время Крукс обнаружил, в чем загвоздка: радиоактивность, оказывается, уходила в раствор, где вроде бы не было урана; а в той порции, где он вроде бы был, не было радиоактивности. Что это означало? Это означало, решил Крукс, что в той смеси веществ, которую он обычно выбрасывал, находится какое-то новое, неизвестное вещество, похожее на уран, но вместе с тем не уран и не похожее на другие радиоактивные элементы — полоний и радий. Поразмыслив, как бы назвать незнакомца, Крукс окрестил его весьма просто и остроумно — уран-Х. Сейчас мы знаем, что Крукс выделил изотоп тория — торий 234, образующийся в результате альфа-распада урана-238.
   В мае 1900 года Крукс доложил о своей странной находке Королевскому обществу. Сначала ему даже не очень поверили. Но вскоре данные Крукса подтвердил не кто иной, как сам Беккерель; на заседании Парижской Академии наук он доложил об аналогичных результатах. Но сам термин «изотоп» все еще не был никем произнесен, так как о самом понятии изотопии еще не было речи лет десять, пока не накопились в достаточном количестве новые факты. А до тех пор по страницам научных журналов кочевали различные мистеры Иксы: радий А, радий В, радий С, и т. д. И т. п.
   Резерфорд в это время наслаждался прелестями тихой сельской жизни в Новой Зеландии, помогал родителям по хозяйству, готовился увезти Мэри Ньютон… нет, теперь уже Мэри Резерфорд.
   А по волнам Атлантического океана плыл еще один участник предстоящего открытия; его путь лежал также в Канаду, ехал он из Англии, где год назад окончил Оксфордский университет с дипломом химика. Звали его Фредерик Содди, и направлялся он в Монреаль, чтобы получить там интересующую его работу. Но ему не повезло: он обнаружил, что работа, ради которой он покинул Англию, уплыла от него, пока он плыл к ней. Однако ему настолько понравился Мак-Гиллский университет, и в особенности химическая лаборатория, которой досталась часть из четырех миллионов Макдональда, что он решил остаться здесь на любой должности, какую предложат. Ему предложили быть руководителем лабораторного практикума по химии, и он согласился.
   Ну, а дальше события развивались самым естественным образом. Резерфорд осенью возвращается в Монреаль и находит там в химической лаборатории нового сотрудника, жаждущего исследовательской работы, а у себя на столе — последние научные журналы, призывавшие к этой самой работе. И происходит неизбежное: физик Резерфорд предлагает химику Содди сотрудничество, так как проблема, которую предстоит решить, и физическая и химическая одновременно, и вместе с тем, как писал о ней Содди, она не подчинена «ни физике, ни химии в том виде, как понимались эти науки до появления радиоактивности».
   Кстати, Содди, как оказалось, был ученым с сильно развитым поэтическим восприятием мира и даже таких сложных процессов, как радиоактивность. Вот как он писал о радии в своей книге: «Он черпает свои запасы энергии из неизвестного до наших дней источника и подчиняется еще не открытым законам. Есть что-то возвышенное в его отчужденности от окружающей среды и в его безразличии к ней. Он как будто ведет свою родословную от миров, лежащих вне нас, питаемый тем же неугасимым огнем, движимый тем же лежащим вне нашего контроля механизмом, который поддерживает свет солнца в небесах в бесконечные периоды времени». Прекрасно сказано — и точно, и образно.
   Но этот отрывок взят из популярной книги Фредерика; в статье, которую они с Резерфордом отправили в журнал, эти же идеи выражались совсем иным языком — сухим и бесстрастным, как и положено в серьезной статье. Статья эта, названная «Причина и природа радиоактивности», произвела революцию в науке. В ней впервые высказывалась мысль о том, что радиоактивность — не что иное, как переход одних элементов в другие, сопровождаемый испусканием либо альфа-лучей, либо бета-лучей. Свои выводы ученые сделали из четких экспериментов с веществом, которое они обнаружили при исследовании радиоактивного распада тория и которое назвали, по примеру Крукса, торием-Х. При тщательном исследовании оказалось, что эманация тория получается не из самого тория, а из этого нового промежуточного тория-Х, который каждые четыре дня вдвое уменьшает свою радиоактивность. Как теперь мы понимаем, ученые имели дело с радиоактивным изотопом радия — радием-226.
   Так впервые в лексиконе науки появились новые понятия: самопроизвольный распад элементов, период полураспада. Многие ученые, воспитанные на старых представлениях о неделимости атомов, не могли принять новые концепции. Даже такой великий физик, как лорд Кельвин, до самой своей смерти отказывался признать радиоактивный распад атомов. Но факты, неумолимые факты, добытые в изящных и точных экспериментах Резерфордом и Содди, неумолимо свидетельствовали: атом делим.
   Свои исследования того периода Резерфорд суммировал в капитальном труде «Радиоактивные вещества и их излучения». Впервые эта книга вышла в 1904 году, но с тех пор много раз переиздавалась в разных странах мира и пополнялась новыми главами, написанными самим автором или вместе с учениками. Когда она вышла впервые, лорд Релей, один из ведущих английских физиков, написал о ней: «Книга Резерфорда не имеет себе равных в качестве авторитетного изложения известных свойств радиоактивных тел. Большей частью этих знаний мы обязаны самому автору. Его изумительная энергия на этом поприще заслужила всеобщее восхищение. В течение нескольких лет едва ли проходил месяц без его личного вклада или вклада его учеников, которых он увлек этой проблемой». Могу перевести эту качественную оценку Релея на язык цифр: пятьдесят научных статей за неполные девять лет, и каких статей — основополагающих.
   Нет просто возможности рассказать обо всех них, хотя они стоят того, поскольку большей частью это описание экспериментов, а тут Резерфорд — волшебник, за действиями которого просто интересно наблюдать. Расскажу только об одном открытии, сделанном в Монреале, — не потому что оно венчает великий канадский период его жизни, а потому, что имеет непосредственное отношение к тому вроде бы случайному открытию, о котором я должен поведать в этой книге и которое было сделано в следующий великий период его жизни — манчестерский.
   Итак, перед тем как распрощаться с гостеприимным Мак-Гиллским университетом, много сделавшим для славы Резерфорда, который в свою очередь много сделал для славы Мак-Гиллского университета, давайте посмотрим, как Эрнест показал, что из себя представляют открытые им альфа-лучи. Это исследование носит принципиальный характер, так как важно было понять, что же уносится из атома при его радиоактивном распаде.
   Я уж приводил высказывание ученика Резерфорда академика П.Л. Капицы об экспериментальном мастерстве своего учителя. В опыте, который он поставил для изучения альфа-частиц, это качество проявилось в полной мере. Петр Леонидович, рассказывая о Резерфорде, привел любопытное наблюдение. По его мнению, физики делятся на два типа исследователей. «Одни — это тип скорее немецкой школы, экспериментатор исходит из известных теоретических предположений и старается их проверить на опыте». Я прерву здесь рассказ Капицы, чтобы пояснить его мысль и напомнить о работах Рентгена; до того, как он открыл свои лучи, что было незапланированной находкой, он занимался как раз методичной работой с катодными лучами, проверяя правильность существовавших относительно них теоретических воззрений. Но послушаем дальше Петра Леонидовича: «Другой же тип ученого, скорее английской школы, исходит не из теории, а из самого явления — изучает его и смотрит, может ли это явление быть объяснено существующими теориями. Тут изучение явления, анализ его являются основным мотивом для эксперимента. И если такое деление возможно, Резерфорд был ярким представителем этого второго направления в экспериментальной физике. Главное для Резерфорда было — разобраться, понять явление. Эксперимент должен быть так построен, чтобы было ясно, в чем состоит явление».
   Сейчас представиться случай убедиться, насколько точно подметил эту черту Резерфорда Капица. В чем суть опыта, который собирался поставить Эрнест? В том, чтобы понять, что из себя представляют альфа-лучи. Поскольку они вылетают из радиоактивных химических элементов, которые вследствие этого меняют свою природу, логично предположить, что альфа-лучи — это тоже какой-то химический элемент, достаточно легкий, чтобы иметь возможность вылететь. Но каждый элемент обладает определенной массой. И, следовательно, если точно измерить массу вылетающих частиц и их заряд, то можно судить о происхождении альфа-лучей.
   Опыт ставится самым бесхитростным образом, чтобы наблюдать только то, что нужно в данном конкретном случае: заряд и массу. Резерфорд взял обычный электроскоп — сосуд с двумя золотыми листочками, расходящимися при получении заряда и опадающих, когда их разряжают. В дне электроскопа сделал щели для альфа-лучей; от щелей в коробку, расположенную под электроскопом, спускались двадцать металлических пластинок; между ними зазор в один миллиметр; на дне коробки радий — источник альфа-лучей. Вот и все. Да, еще одна маленькая деталь: чтобы удалять эманацию, образующуюся при распаде радия, через прибор продувается водород. Вот теперь всё.
   Что же происходит?
   Радий испускает альфа-лучи. Они идут параллельным пучком между двадцатью пластинками и ионизируют воздух в сосуде. Ионы попадают на листочки электроскопа, предварительно заряженные, и разряжают их. Листочки начинают опадать, сходиться, и по измерению угла между ними и по скорости схождения ученый судит об интенсивности альфа-лучей. Это первая часть опыта.
   Теперь вторая. Резерфорд помещает пластинки в магнитное поле. Опадание листочков тут же замедляется. Что это значит? Это значит, что магнитное поле отклоняет альфа-частицы и они не могут все попасть в узкие щели. Резерфорд увеличивает ток. Листочки вовсе замирают. Значит, теперь альфа-частицы вообще не могут попасть в электроскоп, они отбрасываются на пластины. Следовательно, альфа-лучи — это заряженные быстрые частицы.
   Следующий вопрос: как они заряжены — положительно или отрицательно? В магнитном поле и те и другие отклоняются одинаково, но в разные стороны. И Резерфорд носит в эксперимент маленькую остроумную деталь: он перекрывает узкие щели наполовину. И теперь при включении магнитного поля становится совершенно ясно, в какую сторону отклоняются альфа-лучи: если листочки опадают, значит, лучи проскакивают мимо экранчиков, если электроскоп неподвижен, значит, лучи отклонились именно в ту сторону, где их ожидает преграда. Так Резерфорд очень просто убедился, что альфа-частицы имеют положительный заряд.
   Оставалось выяснить последнее — их скорость и отношение заряда к массе. И вновь это было сделано очень просто: Резерфорд подсоединил электрические провода к пластинкам и смотрел, как альфа-лучи отклоняются электрическим полем. А потом поменял местами полюса батареи, то есть как бы перезарядил пластинки, и вновь посмотрел, что изменилось. После этого осталось сделать несложные расчеты, которые привели к следующим выводам: масса альфа-частицы больше, чем масса атома водорода; заряд их положителен, и по величине вроде бы эквивалентен заряду примерно двух электронов. Это могло означать, что альфа-лучи не что иное, как атомы гелия, второго за водородом элемента, у которого отняты два электрона.
   Конечно, выводы были пока не окончательны, но на их основании можно было выдвинуть гипотезу. Что Резерфорд и сделал в 1903 году. Конечно, гипотеза требует еще доказательств и точных расчетов, которые в то время Резерфорд сделать не мог, но через несколько лет он вернулся к альфа-частицам и столь же изящным и простым экспериментом доказал, что альфа-частицы — действительно дважды ионизированные атомы гелия.
   Но это произошло позже, в 1909 году, после того, как Резерфорд вернулся в Англию.
   Казалось, зачем бы ему покидать Монреаль, где так славно работалось, где он был обеспечен материально — и лично и в научном отношении. Но, вероятно, тоска по крупному научному центру, где происходит кипение идей, споры, в которых рождаются истины, где его окружали бы не только ученики и сподвижники, но и ученые, у которых есть чему самому поучиться, наверное, эти чувства, подавляемые почти девять лет, вырвались наружу, когда он получил конкретное предложение вернуться в Европу.
   Это предложение он получил в начале 1907 года от руководства Манчестерского университета в связи с тем, что профессор физики Артур Шустер подал по возрасту в отставку. Он сам первый предложил своим преемником Резерфорда. Его предложение не вызвало никаких возражений, поскольку незадолго до этого Резерфорд был избран членом Королевского общества и награжден медалью Румфорда. Таким образом, во главе манчестерских физиков должен был встать ученый, известный не только превосходными исследованиями и открытиями, но и получивший официальное признание — для чиновников от науки последнее соображение иногда оказывается даже важнее, чем первое, вспомним хотя бы историю с Рентгеном.
   Словом, в данном случае все сложилось как нельзя лучше, к удовольствию обеих сторон: Резерфорда с нетерпением ждали в Манчестере, а он с нетерпением ждал середины мая, когда океанский пароход «Императрица Ирландии» заберет его с семьей из канадского порта Квебек.
   Приехав в Манчестер, Эрнест убедился, что лаборатория, в которой ему предстояло работать, не столь шикарна, как макдональдовская, но все же достаточно хороша. И он, чувствуя прилив новых сил, взялся за новые исследования. Но не успел он за них как следует взяться, как осенью 1908 года был официально уведомлен, что ему присуждена Нобелевская премия по химии за исследования радиоактивных элементов и что ему надлежит прибыть в Стокгольм не позднее 10 декабря для торжественного получения награды.
   В этом событии, несомненно заслуженном и несомненно радостном для всех ученых, был один забавный аспект: физик получил премию по разделу химии. Резерфорд, человек остроумный, не смог пройти мимо этого казуса и в своем тосте на банкете после торжественной церемонии сказал, посмеиваясь: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями с разными периодами, но самым быстрым из всех оказалось мое собственное превращение в один момент из физика в химика».
   Резерфорду было тридцать семь лет, когда он стал нобелевским лауреатом; довольно редкий случай — обычно ученых венчали столь высокой наградой много позже. И когда он приехал в Стокгольм и предстал перед торжественным собранием, даже не верилось, что этот молодой, румяный, спортивного вида человек — великий физик. Вот как описывает его внешность академик Капица, правда, это относится к чуть более позднему периоду: «Наружностью он был довольно плотный, роста выше среднего, глаза у него были голубые, всегда очень веселые, лицо очень выразительное. Он был подвижен, голос у него был громкий, он плохо умел его модулировать, вполголоса он говорить не мог… Во всей его манере общения с людьми сразу, с первого слова, бросались в глаза его искренность и непосредственность».
   Его внешность и моложавость явно не соответствовали тому, что он уже успел сделать в физике, и, рассказывают, в связи с этим произошел даже один забавный эпизод. Перед отъездом в Стокгольм к Резерфорду в лабораторию пришел его предшественник профессор Шустер в сопровождении японского министра просвещения, барона Кикучи. Барон, несмотря на министерский портфель, был физиком, и причем довольно известным, и поэтому хорошо знал работы Резерфорда и очень хотел с ним познакомиться лично. Шустер выполнил желание Кикучи — представил ему Резерфорда и они поговорили о том о сем некоторое время. Однако японец не поверил, что ученый, с которым он беседует, тот самый Резерфорд. Восточная сдержанность не позволила ему высказать недоумение в присутствии хозяина лаборатории, но, когда они с Шустером вышли на улицу, он все-таки не выдержал. «Я полагаю, — улыбаясь, спросил он, — что Резерфорд, которого вы мне представили, сын знаменитого профессора Резерфорда?»