Страница:
Спустя тридцать с лишним лет повторилось нечто подобное. Шведская академия присудила Нобелевскую премию индийскому физику Раману. Открытие индийца было выдающимся. Но несколько раньше и с гораздо большей полнотой это же квантовое явление исследовал в Москве замечательный физик, ныне покойный, академик Л. Мандельштам. Ученый, никогда не любивший сенсаций, он послал свою работу, тщательно выполненную вместе с другим известным советским физиком, Г. Ландсбергом, в «Журнал Русского физико-химического общества». И одновременно в немецкий «Naturwissen-schaften». А Раман, пораженный своим открытием, еще не проведя детальных исследований, тотчас послал в Лондон как бы заявочную каблограмму. И это телеграфное уведомление появилось в «Nature» чуть раньше, чем вышел немецкий журнал. Раман стал нобелевским лауреатом, а Мандельштам - нет! Это было столь очевидной несправедливостью, что знаменитый теоретик Макс Борн в знак протеста демонстративно вышел из Нобелевского комитета.
Но из-за медали Румфорда, присужденной Ленарду, никто не покинул Королевского общества. Отчего же? Да оттого, что никто не усмотрел в случившемся умаления заслуг Рентгена.
Этической проблемы не возникло потому, что не ясна была проблема научная: каково происхождение вновь открытых лучей? И еще никто не мог оспорить притязаний Ленарда: ведь «его лучи» - выведенные наружу пучки электронов - наблюдались тоже вне трубки… В этой истории нечаянно отразилось младенчество атомной физики.
Можно было бы и не вспоминать здесь эту историю.
Но она, несомненно, занимала мысли Резерфорда.
Прошло время, и уже в начале нашего столетия он сам был награжден медалью Румфорда. Узнав об этом из дружеской телеграммы, но не получив еще официального сообщения из Лондона, он не без иронии написал Мэри Ньютон: «Верю, что все в порядке и медаль не подверглась делению, как в случае Ленарда и Рентгена из-за Х-лучей». Эта фраза означала: «Надеюсь, не объявился претендент на сделанные мною открытия, а если и объявился - Королевское общество на сей раз не повторило своей былой ошибки!»
Но вернемся к той осени в конце минувшего года, когда молодой Резерфорд еще ничего не знал о событии, происшедшем в лаборатории Вюрцбургского университета.
Я назвал агент, исходящий из стенок разрядной трубки, лучами, руководствуясь отчасти тем, что при помещении между трубкой и экраном (или фотографической пластинкой) более или менее проницаемого предмета получается вполне правильная тень.
Я наблюдал, а частью сфотографировал большое количество таких теневых картин, получение которых доставляет иногда совсем особого рода удовольствие.
У меня есть, например, фотография тени профиля двери, разделяющей две комнаты… фотография тени костей… запертого в ящике набора разновесок…
Это было написано в § 14 первого сообщения Рентгена об открытии Х-лучей. Стоял уже декабрь. Кончалось рождество.
Сообщение подытоживало первые месяцы придирчивого ознакомления со свойствами нового «агента». Эти свойства вызывали недоверие. Но доверие вызывал Рентген. Секретарь Вюрцбургского научного общества немедленно отправил рукопись к печатнику.
Была последняя суббота 1895 года. Наверное, и печатнику подумалось, что для старого Вюрцбурга пробил, наконец, звездный час. В день Нового года на столе у Рентгена уже высилась стопка десятистраничных брошюр с готическим заглавием - «О новом роде лучей». А рядом лежала другая стопка - выполненные в лаборатории фотографии невидимого: первые в мире рентгеновские снимки, сделанные самим Рентгеном. Была и третья стопка - конверты.
Десять конвертов. Десять адресов. В каждом конверте - экземпляр брошюры и набор снимков. Через несколько дней десять авторитетнейших физиков Европы получили своеобразное новогоднее послание с берегов Майна от профессора В. К. Рентгена, чье экспериментаторское искусство было им, конечно, известно, но с чьим именем до сих пор не связывалось никаких выдающихся открытий.
А широкой публике это имя не говорило ничего. Есть забавное тому доказательство. Одно из вюрцбургских посланий пришло в Вену. О нем узнала пресса. Венские корреспонденты разных газет поспешили сообщить в свои редакции, что некий немецкий ученый Роутген сделал небывалое изобретение: он научился фотографировать скрытое! Даже кости живой человеческой руки!.. «Роутген» в несколько дней стал популярней Эдисона. В истинного же «Рентгена» он превратился чуть позже, когда торопливая репортерская молва сменилась нескудеющей научной славой. Произошло это и вправду быстро, потому что на сей раз небывалое оказалось легко воспроизводимым: разрядные трубки и фотографические пластинки не были диковинкой для экспериментаторов.
«Совсем особого рода удовольствие», о котором позволил себе написать застегнутый на все пуговицы, педантически строгий Рентген, стало достоянием энтузиастов во всем мире.
Любопытно: среди них был Александр Попов. В Кронштадтском музее, где хранятся реликвии великой поры изобретения радио, можно увидеть и прекрасные рентгенограммы. Они сделали бы честь и современному рентгенографу. А датированы они - трудно поверить! - февралем 1896 года. Очевидно, одно из своих новогодних посланий Рентген йтправил в Петербург.
Два других пришли в Париж и Кембридж.
В Париж - Анри Пуанкаре.
В Кембридж - Дж. Дж. Томсону.
Вот эти-то два послания сыграли историческую роль в возникновении современной физики микромира. Они определили и научную судьбу Эрнста Резерфорда.
Возможно. А возможно, он просто подумал, что к информации, идущей через Пуанкаре, французские физики должны будут отнестись с пристальным вниманием.
В обоих случаях он был прав. 20 января 1896 года - в очередной академический понедельник - крупнейшие физики Франции слушали сообщение о новом роде лучей. Оно сопровождалось демонстрацией снимков кисти руки, только что сделанных в Париже двумя врачами. И всем стало ясно, как много может дать медицине открытие немецкого профессора. А физике? Это было не столь очевидно.
Но один из академиков тотчас решил, что все услышанное имеет непосредственное отношение к его собственным лабораторным исканиям. Его захватила простая мысль, нуждавшаяся в немедленной экспериментальной проверке.
Дело в том, что Антуан Анри Беккерель занимался фосфоресценцией. Это было явление того же круга, что флюоресценция и люминесценция. Три красивых термина - три красивых эффекта. Термины были похожи, и эффекты были похожи.
Речь шла о способности некоторых веществ самосветиться под воздействием или после воздействия внешнего облучения.
Тонкости тут не существенны.
Тема была не новой. Еще менее новой, чем катодные лучи.
Анри Беккерель шел по стопам своего деда - Антуана Сезара - и по стопам своего отца - Александра Эдмона. И дед и отец тоже были членами Парижской академии и даже ее президентами. Интерес к явлениям спровоцированного самосвечения был наследственным у Беккерелей. Легко представить себе, что почувствовал Анри Беккерель, когда услышал слова из новогоднего послания Рентгена: «…наиболее сильно флюоресцирующее место стенки разрядной трубки является также и главным исходным пунктом расходящихся во все стороны Х-лучей».
Флюоресценция!.. В потомственном академике заговорил «голос крови». Гипотеза созрела мгновенно: если источник невидимых лучей Рентгена - флюоресцирующее пятно, стало быть, такие лучи должно испускать любое флюоресцирующее тело! Можно обойтись без катодной трубки. Достаточно каким-нибудь известным способом вызвать самосвечение вещества, и попутно возникнут Х-лучи!
Рассуждение его казалось безупречным. Программа действий - очевидной. Теоретических возражений по тем временам не мог бы сформулировать даже Анри Пуанкаре. Оставалось взяться за дело.
И он взялся за дело…
Разумеется, начались неудачи. Никаких рентгеновых лучей в его опытах не могло возникнуть: ни в одном звене в них не участвовали быстрые электроны, излучающие энергию при торможении! Анри Беккерель делал то, что делал еще его дед Сезар: облучал подходящие вещества ультрафиолетовым светом и наблюдал их красивое, но скоропреходящее свечение. Однако, так как его волновало нечто новое, он делал еще и то, чего не стал бы делать дед: он помещал фосфоресцирующие кристаллы на фотопластинки, тщательно обернутые черной бумагой. Непроницаемая для обычного света, черная бумага должна была пропускать всепроникающие Х-лучи. Он испытывал одно фосфоресцирующее вещество за другим. И каждый раз с понятным волнением проявлял пластинки.
Благоразумные библейские пророки предсказывали события, достаточно отдаленные во времени и пространстве, чтобы в час проверки не быть побитыми камнями. Ученым труднее, чем пророкам: их лабораторные предсказания сбываются или не сбываются в их присутствии. И казнь мучительней: они казнят самих себя. В течение месяца Анри Беккерель изо дня в день убеждался, что пластинки остаются девственно чистыми.
В этом непрерывном самоистязании его утешали только чувство юмора и мысль, что еще не все фосфоресцирующие вещества испытаны…
И вот - как неисповедимы пути познания! - дошел черед до солей урана. Продолжая с маниакальным упорством свои бессмысленные опыты, Беккерель повторил заведенным порядком всю процедуру: на черный пакетик с фотопластинкой положил кристаллы урановой соли, открыл окно, чтобы стекло не задерживало ультрафиолетовые лучи солнечного спектра, провел облучение, закрыл окно, снял кристаллы, взял черный пакетик и пошел казниться в темную комнату фотолаборатории. Неизвестно, выскочил ли он оттуда с архимедовым криком «Эврика!», но в протоколе ближайшего академического понедельника появилась следующая запись:
Заседание 24 февраля 1896 г. Сообщение Анри Беккереля… …Фотографическую бромосеребряную пластинку Люмьера обертывают двумя листками очень плотной черной бумаги… Сверху накладывают какое-нибудь фосфоресцирующее вещество (бисульфат урана и калия), а затем все это выставляют на несколько часов на солнце.
При проявлении фотопластинки на черном фоне появляется силуэт фосфоресцирующего вещества.
Так что же - сбылось пророчество?
Сразу видно, что Беккерель совершил элементарную логическую ошибку. Разве он имел право говорить в своем сообщении: «накладывают какое-нибудь фосфоресцирующее вещество»? В течение месяца «какие-нибудь» вещества не засвечивали пластинку! Успех принесла урано-калиевая соль. Точно такую же логическую ошибку совершил он с самого начала: у Рентгена была флюоресценция - значит, флюоресценция порождает Х-лучи.
Но потому-то и неисповедимы пути познания, что на этих путях даже ошибки порою приводят к великим открытиям.
Существенно, чтобы ошибки побуждали не к бездеятельности, а к исканиям.
Анри Беккерель оказался скверным пророком, но был Прекрасным экспериментатором. Принято говорить, что ему, как Рентгену, помог случай. Но справедливей другое: ему помогло упорство в заблуждении! Он просто не мог не дойти до урановых солей.
Остальное многократно описано. В следующий понедельник Парижская академия снова слушала сообщение Беккереля.
Заседание 2 марта 1896 г. …Я особенно настаиваю на следующем факте, кажущемся мне весьма многозначительным… Те же кристаллы, содержащиеся в темноте, в условиях, когда возникновение радиации под действием солнечного света - исключается, дают тем не менее фотографические отпечатки. В среду 26-го и в четверг 27 февраля 1896 г. солнце появлялось лишь с большими перерывами. Я отложил совсем подготовленные опыты и, не трогая кристаллов соли урана, установил кассеты в ящике стола - в темноте. В следующие дни солнце не появлялось вовсе, но, проявив пластинки 1 марта, я обнаружил на них совершенно отчетливые контуры.
Беккерель вынужден был, наконец, задать себе простейший вопрос: чем отличается загадочно излучающее вещество от всех остальных фосфоресцирующих веществ, испытанных прежде? Ответ был короток: присутствием атомов урана!
На два с лишним месяца физик превратился в химика.
На его лабораторном столе перебывали все известные соединения урана во всех видах - «обладающие и не обладающие фосфоресценцией; кристаллизующиеся, расплавленные или находящиеся в растворе». На счастье, именно в это время известный химик - тезка и ровесник Беккереля - Анри Муассан разрабатывал метод получения чистого урана. В мае Беккерель смог положить на черный пакетик с пластинкой металлический урановый диск.
Это была лучшая из непонятных фотографий. (Максвелл был прав: не надо «отговаривать человека от попытки провести тот или другой эксперимент. Если он не кайдет того, что ищет, он, может быть, откроет нечто иное».
Вероятно, в случае с Беккерелем физике всего более повезло, что он был академиком и собственным руководителем: некому было отговаривать его от бесплодных опытов.) Радиационная активность урана скоро получила название радиоактивности. О ней заговорили как о таинственном явлении природы не только популяризаторы науки, но и сами ученые. Всего таинственней была неистощимость этой радиации. Проходили день, два, неделя, месяц, а способность урана или его соединений испускать невидимые лучи отнюдь не убывала. А между тем не могло быть сомнений, что урановое излучение несет с собою энергию: об этом свидетельствовали засвеченные пластинки. Казалось непонятным, откуда эта неиссякающая энергия берется.
Столь же таинственным было и другое: интенсивность этой радиации нельзя было ни уменьшить, ни увеличить. Этот кран нельзя было ни прикрутить, ни отвернуть посильнее.
Никакие лабораторные средства тут не годились: уран оставался равнодушным и к нагреванию, и к охлаждению, и к электрическим полям, и к магнитным, и к механическому давлению, и к химическим превращениям… С невиданным постоянством он продолжал излучать свою невидимую радиацию!
Много лет спустя соотечественник Беккереля Луи де Бройль сказал: «Все физики поняли важность этого открытия, но весьма немногим, конечно, интуиция подсказала, что оно позволит нам проникнуть в наиболее сокровенные части вещества, в сердце атома, которое мы называем сегодня ядром…»
Эти слова нуждаются в поправке и дополнении.
Поправка. Когда ученые через десятилетия оглядываются на прожитое, год или два теряют существенное значение для общей картины истории. Но когда история еще творится, каждый месяц у нее на счету. В 1896 году Беккерель едва ли согласился бы с мнением, что все физики поняли важность его открытия. Это мог бы сказать о своей находке Рентген, но не Беккерель. Х-лучи немедленно породили все нарастающую волну новых исследований. С лучами урана этого не случилось.
Всю весну, лето, осень, зиму и новую весну 1897 года французский академик продолжал в одиночестве заниматься изучением урановой радиации. Физик Альфред Ромер объяснил это так: «Лучи Беккереля, поскольку они не давали снимков костей, не были столь заманчивы, как рентгеновы…» Норман Фезер рассудил, по-видимому, точнее: «Только тому, что подавляющее большинство физиков было целиком поглощено работой над открытием Рентгена, можно приписать тот факт, что Беккерель в течение года с лишним оставался практически единственным исследователем в равно обещающей области научных исканий».
Мария Склодовская еще занималась изучением ферромагнетизма в лаборатории Пьера Кюри. Они оба приступили к своим эпохальным работам по радиоактивности только в конце 1897 года.
На несколько месяцев раньше впервые взял в руки урановую соль Эрнст Резерфорд. И с этим связано коротенькое дополнение к словам де Бройля. Именно Резерфорду совсем скоро предстояло стать во главе тех «весьма немногих», чьей интуиции тут открылся путь в глубины вещества - «в сердце атома».
Новогоднее послание Рентгена произвело в Кембридже впечатление столь же сильное, что и в Париже. И первая реакция Томсона была не оригинальна: надо прежде всего сполна испытать «совсем особого рода удовольствие», какое испытал вюрцбургский профессор. Эбенизер Эверетт получил ясное задание.
Один пункт в этом задании носил характер отнюдь не физический: следовало раздобыть лягушку с прибрежных низин на Кеме.
Вскоре рентгеновский снимок этой счастливой лягушки пересек два океана и лег на дощатый стол в Пунгареху, свидетельствуя перед лицом мастера Джемса и учительницы Марты, что сын их Эрнст занимается в Кавендише необычайными вещами.
А в Кавендише, потешившись прекрасными анатомическими снимками, сразу приступили к изучению физики рентгеновых лучей. Эрнст на маорийский лад объяснял Мэри:
«Теперь едва ли не каждый профессор в Европе уже ступил на тропу войны!» В этом соревновании исследовательское чутье Дж. Дж. и одна его старая научная привязанность повели Кавендишевскую лабораторию по самому многообещающему пути.
В старости, подводя итоги, Дж. Дж. с улыбкой вспоминал, что в его сознательной жизни не было такого периода, когда бы он с большей или меньшей страстью не предавался изучению электрических явлений в газах. Это было как наваждение. И в те же дни, когда Анри Беккерель, внимая «голосу крови», весь отдавался своей наследственной приверженности к фосфоресценции, Дж. Дж. почувствовал, что не сможет спокойно жить, пока не узнает, окажут ли Х-лучи какое-нибудь влияние на электрические свойства вещества в газообразном состоянии. 28 января 1896 года он впервые подверг рентгеновскому облучению сосуд с газом. И вместе с рисерч-стьюдентом Мак- Клелландом наблюдал желанный эффект: нейтральный газ под действием Х-лучей становился на короткое время проводником электричества.
Собственно, больше ничего и не случилось. Сущая малость.
Но эта малость была настолько важна, что кембриджец Эпплтон впоследствии сравнивал происшедшее с прорывом фронта. В подтверждение своей правоты он ссылался на мнение Резерфорда. А Резерфорд говорил, что то было началом «периода пионерского продвижения вперед по необжитой и плодородной стране, когда день за днем поднимались целинные земли, когда открытие за открытием следовали стремительной чередой».
Томсон повел в этот поход лучшие силы Кавендишевской лаборатории и прежде всего своих молодых, полных энтузиазма докторантов. И хотя он видел, как много времени отнимает у Резерфорда магнитный детектор, и знал, что новозеландцу в его ночных экспериментах приходится прибегать к помощи Таунсенда и Мак-Клелланда, и понимал, что вдобавок свободные часы уходят у него на репетиторство, он все-таки уже в марте предложил ему совместную работу по новой теме.
Он спешил. Он был увлечен неожиданно открывшимися перспективами. И верил, что Резерфордово уменье идти «прямо >к самому сердцу проблемы» поможет и ему, Томсону, быстрее добраться до сути дела. А влекла его забрезжившая надежда раскрыть, наконец, физический механизм электропроводности газов.
Благодаря Х-лучам эта надежда стала реальной. Появился легкий и безотказный способ простым облучением делать газ проводником электричества и снимать эту проводимость, прекращая облучение. Таково было исходное утверждение, с которого начиналась первая совместная работа Томсона и Резерфорда.
Позже эту работу стали называть эпохальной. На пятнадцати страницах журнальной статьи была экспериментально и теоретически обрисована правдоподобная картина процессов, происходящих в газе, когда он становится проводником электричества. Даже сегодня авторитеты признают, что та картина была «во всех существенных деталях совершенно корректной».
Но что же тут могло быть эпохального? О каком пионерском походе по какой незнаемой земле мог говорить Резерфорд. любивший иронию больше торжественного пафоса? Электропроводность газов… Разве не была это всего лишь частная физическая проблема - одна из тысяч?
Внешне так оно, конечно, и выглядело. Но в сердце этой проблемы лежало устройство молекул и атомов. Вот куда вел открывшийся путь! А потому и любые громкие слова были тут уместны. И легко понять, почему в октябре 96-го года Эрнст шутливо предупредил Мэри, чтобы она не удивлялась, если однажды утром узнает из каблограммы какую-нибудь оглушительную новость.
Картина электропроводности представилась Томсону и Резерфорду в очень простой схеме. …В нейтральном газе появляются носители зарядов - положительных и отрицательных. Они появляются обязательно в равных количествах. Под влиянием электрического поля положительные движутся к отрицательному электроду, отрицательные - к положительному.
Прибор регистрирует возникновение тока. Прежде нейтральный газ становится проводником. Противоположно заряженные носители, встречаясь в пути, могут взаимно нейтрализоваться.
Томсон дал убедительную и несложную математическую теорию этих физических событий. Резерфорд с такой же убедительностью и простотой обосновал эту картину экспериментально. Дж. Дж. не обманулся в своих ожиданиях. «Резерфорд разработал весьма остроумные методы измерения… и получил очень ценные результаты…» - рассказывал позже Томсон.
Измерению подлежало все, что можно было измерить: начиная с силы тока и кончая скоростью движения заряженных частиц. На опыте можно было наблюдать зависимость хода событий от времени, ог интенсивности облучения, от природы газа..'. Всякое изменение условий требовало новой серии опытов. И с каждой серией связывалось одно и то же ожидание: окажется ли и в этом случае справедливой теория? Не обнаружится ли вдруг, что в облученном водороде происходит одно, а в парах ртути - другое? Сомнений было больше, чем можно здесь перечислить без риска погрузиться с головой в томящее однообразие подобных лабораторных исследований - нескончаемых и равномерно напряженных, как путь по кочковатой тропе через необозримое болото… (Со стороны - монотонная скука. Но для идущего дорога полна незнаемого. И потому каждый шаг - испытание зоркости и силы.) Всю весну и лето 96-го года, до самого Ливерпуля, Резерфорд делил свое время и озабоченность между третьим и первым этажами Кавендиша. В маленькой комнате наверху его ждал магнитный детектор. В профессорском кабинете Томсона - рентгеновские трубки.
Теперь эта тихая комната с трехстворчатым окном, где он впервые встретился со «стариком Томсоном», перестала быть уединенной. Верный Эверетт безуспешно оберегал обитель шефа от вторжений рисерч-стьюдентов. Он пытался, как рассказывает Рэлей-младший, заключить с молодыми учеными соглашение, по которому лаборатория Дж. Дж. получила бы статут «частной комнаты». Из этого ничего не вышло. Рисерч-стьюденты являлись в кабинет профессора, когда им заблагорассудится. То приходили советоваться, то приходили спорить.
Чаще всего советоваться и значило - спорить. Томсону до старости было еще далеко, и он в те годы не предпочитал одиночества, как то случилось впоследствии. Когда вопрос ставил его в тупик, он признавался без обиняков: «Я не знаю, как на это ответить». И ответ начинали искать сообща. Дуэльная атмосфера внезапно разгоравшихся дискуссий всем напоминала студенческие годы. И молодила даже молодых.
Резерфорд не любил усаживаться за стол для долгих научных говорений. Кембриджцы открыли в нем черту, которой еще не заметили новозеландцы: нетерпеливость. Он словно начал торопить себя и события. Он спорил на ходу. Спорил, не прерывая возни с экспериментальной установкой. И только постороннему могла почудиться невежливость в том, как отвечал он Томсону, не поднимая головы и словно защищая свои суждения широкой спиной и крутыми плечами. Что-то заставляло с безусловным доверием относиться к его суждениям. Однако вовсе не всегда бывал он прав. И в ту молодую пору с ним еще легко было не соглашаться: он умел не настаивать на своих заблуждениях только оттого, что это были его заблуждения. И даже если его союзником в споре оказывался Томсон, а противником, скажем, Таунсенд, он без труда становился на точку зрения последнего, как только обнаруживалось, что на стороне Таунсенда авторитет фактов.
Рэлей-младший вспоминал, как наивны и неверны были первоначальные представления Томсона и Резерфорда о переносчиках зарядов в облученном газе. Один из ранних опытов направил их мысль по ложному пути.
В трубке с газом они поместили между электродами тампон из стеклянной ваты. Для молекул газа он не был препоной.
А для заряженных частиц, возникающих при облучении?
Еще ничего не зная достоверного об их происхождении и размерах, Томсон и Резерфорд решили проверить, пройдут ли эти частицы через столь тонкий фильтр. Не прошли!
Но из-за медали Румфорда, присужденной Ленарду, никто не покинул Королевского общества. Отчего же? Да оттого, что никто не усмотрел в случившемся умаления заслуг Рентгена.
Этической проблемы не возникло потому, что не ясна была проблема научная: каково происхождение вновь открытых лучей? И еще никто не мог оспорить притязаний Ленарда: ведь «его лучи» - выведенные наружу пучки электронов - наблюдались тоже вне трубки… В этой истории нечаянно отразилось младенчество атомной физики.
Можно было бы и не вспоминать здесь эту историю.
Но она, несомненно, занимала мысли Резерфорда.
Прошло время, и уже в начале нашего столетия он сам был награжден медалью Румфорда. Узнав об этом из дружеской телеграммы, но не получив еще официального сообщения из Лондона, он не без иронии написал Мэри Ньютон: «Верю, что все в порядке и медаль не подверглась делению, как в случае Ленарда и Рентгена из-за Х-лучей». Эта фраза означала: «Надеюсь, не объявился претендент на сделанные мною открытия, а если и объявился - Королевское общество на сей раз не повторило своей былой ошибки!»
Но вернемся к той осени в конце минувшего года, когда молодой Резерфорд еще ничего не знал о событии, происшедшем в лаборатории Вюрцбургского университета.
Я назвал агент, исходящий из стенок разрядной трубки, лучами, руководствуясь отчасти тем, что при помещении между трубкой и экраном (или фотографической пластинкой) более или менее проницаемого предмета получается вполне правильная тень.
Я наблюдал, а частью сфотографировал большое количество таких теневых картин, получение которых доставляет иногда совсем особого рода удовольствие.
У меня есть, например, фотография тени профиля двери, разделяющей две комнаты… фотография тени костей… запертого в ящике набора разновесок…
Это было написано в § 14 первого сообщения Рентгена об открытии Х-лучей. Стоял уже декабрь. Кончалось рождество.
Сообщение подытоживало первые месяцы придирчивого ознакомления со свойствами нового «агента». Эти свойства вызывали недоверие. Но доверие вызывал Рентген. Секретарь Вюрцбургского научного общества немедленно отправил рукопись к печатнику.
Была последняя суббота 1895 года. Наверное, и печатнику подумалось, что для старого Вюрцбурга пробил, наконец, звездный час. В день Нового года на столе у Рентгена уже высилась стопка десятистраничных брошюр с готическим заглавием - «О новом роде лучей». А рядом лежала другая стопка - выполненные в лаборатории фотографии невидимого: первые в мире рентгеновские снимки, сделанные самим Рентгеном. Была и третья стопка - конверты.
Десять конвертов. Десять адресов. В каждом конверте - экземпляр брошюры и набор снимков. Через несколько дней десять авторитетнейших физиков Европы получили своеобразное новогоднее послание с берегов Майна от профессора В. К. Рентгена, чье экспериментаторское искусство было им, конечно, известно, но с чьим именем до сих пор не связывалось никаких выдающихся открытий.
А широкой публике это имя не говорило ничего. Есть забавное тому доказательство. Одно из вюрцбургских посланий пришло в Вену. О нем узнала пресса. Венские корреспонденты разных газет поспешили сообщить в свои редакции, что некий немецкий ученый Роутген сделал небывалое изобретение: он научился фотографировать скрытое! Даже кости живой человеческой руки!.. «Роутген» в несколько дней стал популярней Эдисона. В истинного же «Рентгена» он превратился чуть позже, когда торопливая репортерская молва сменилась нескудеющей научной славой. Произошло это и вправду быстро, потому что на сей раз небывалое оказалось легко воспроизводимым: разрядные трубки и фотографические пластинки не были диковинкой для экспериментаторов.
«Совсем особого рода удовольствие», о котором позволил себе написать застегнутый на все пуговицы, педантически строгий Рентген, стало достоянием энтузиастов во всем мире.
Любопытно: среди них был Александр Попов. В Кронштадтском музее, где хранятся реликвии великой поры изобретения радио, можно увидеть и прекрасные рентгенограммы. Они сделали бы честь и современному рентгенографу. А датированы они - трудно поверить! - февралем 1896 года. Очевидно, одно из своих новогодних посланий Рентген йтправил в Петербург.
Два других пришли в Париж и Кембридж.
В Париж - Анри Пуанкаре.
В Кембридж - Дж. Дж. Томсону.
Вот эти-то два послания сыграли историческую роль в возникновении современной физики микромира. Они определили и научную судьбу Эрнста Резерфорда.
6
Странное дело - почему, посылая свою работу в Париж, Рентген решил адресоваться к Анри Пуанкаре? Меньше всего Пуанкаре мог почитаться авторитетом в экспериментальной физике. И в технике тоже (хотя некогда он и учился в Политехнической и Горной школах Франции). Он был гениальным математиком. И физиком-теоретиком. К тому же из числа тех, кого волновали не столько подробности физического знания, сколько само устройство мира… Так не означал ли выбор Рентгена, что он увидел в своем открытии нечто большее, чем «новый способ фотографирования»?Возможно. А возможно, он просто подумал, что к информации, идущей через Пуанкаре, французские физики должны будут отнестись с пристальным вниманием.
В обоих случаях он был прав. 20 января 1896 года - в очередной академический понедельник - крупнейшие физики Франции слушали сообщение о новом роде лучей. Оно сопровождалось демонстрацией снимков кисти руки, только что сделанных в Париже двумя врачами. И всем стало ясно, как много может дать медицине открытие немецкого профессора. А физике? Это было не столь очевидно.
Но один из академиков тотчас решил, что все услышанное имеет непосредственное отношение к его собственным лабораторным исканиям. Его захватила простая мысль, нуждавшаяся в немедленной экспериментальной проверке.
Дело в том, что Антуан Анри Беккерель занимался фосфоресценцией. Это было явление того же круга, что флюоресценция и люминесценция. Три красивых термина - три красивых эффекта. Термины были похожи, и эффекты были похожи.
Речь шла о способности некоторых веществ самосветиться под воздействием или после воздействия внешнего облучения.
Тонкости тут не существенны.
Тема была не новой. Еще менее новой, чем катодные лучи.
Анри Беккерель шел по стопам своего деда - Антуана Сезара - и по стопам своего отца - Александра Эдмона. И дед и отец тоже были членами Парижской академии и даже ее президентами. Интерес к явлениям спровоцированного самосвечения был наследственным у Беккерелей. Легко представить себе, что почувствовал Анри Беккерель, когда услышал слова из новогоднего послания Рентгена: «…наиболее сильно флюоресцирующее место стенки разрядной трубки является также и главным исходным пунктом расходящихся во все стороны Х-лучей».
Флюоресценция!.. В потомственном академике заговорил «голос крови». Гипотеза созрела мгновенно: если источник невидимых лучей Рентгена - флюоресцирующее пятно, стало быть, такие лучи должно испускать любое флюоресцирующее тело! Можно обойтись без катодной трубки. Достаточно каким-нибудь известным способом вызвать самосвечение вещества, и попутно возникнут Х-лучи!
Рассуждение его казалось безупречным. Программа действий - очевидной. Теоретических возражений по тем временам не мог бы сформулировать даже Анри Пуанкаре. Оставалось взяться за дело.
И он взялся за дело…
Разумеется, начались неудачи. Никаких рентгеновых лучей в его опытах не могло возникнуть: ни в одном звене в них не участвовали быстрые электроны, излучающие энергию при торможении! Анри Беккерель делал то, что делал еще его дед Сезар: облучал подходящие вещества ультрафиолетовым светом и наблюдал их красивое, но скоропреходящее свечение. Однако, так как его волновало нечто новое, он делал еще и то, чего не стал бы делать дед: он помещал фосфоресцирующие кристаллы на фотопластинки, тщательно обернутые черной бумагой. Непроницаемая для обычного света, черная бумага должна была пропускать всепроникающие Х-лучи. Он испытывал одно фосфоресцирующее вещество за другим. И каждый раз с понятным волнением проявлял пластинки.
Благоразумные библейские пророки предсказывали события, достаточно отдаленные во времени и пространстве, чтобы в час проверки не быть побитыми камнями. Ученым труднее, чем пророкам: их лабораторные предсказания сбываются или не сбываются в их присутствии. И казнь мучительней: они казнят самих себя. В течение месяца Анри Беккерель изо дня в день убеждался, что пластинки остаются девственно чистыми.
В этом непрерывном самоистязании его утешали только чувство юмора и мысль, что еще не все фосфоресцирующие вещества испытаны…
И вот - как неисповедимы пути познания! - дошел черед до солей урана. Продолжая с маниакальным упорством свои бессмысленные опыты, Беккерель повторил заведенным порядком всю процедуру: на черный пакетик с фотопластинкой положил кристаллы урановой соли, открыл окно, чтобы стекло не задерживало ультрафиолетовые лучи солнечного спектра, провел облучение, закрыл окно, снял кристаллы, взял черный пакетик и пошел казниться в темную комнату фотолаборатории. Неизвестно, выскочил ли он оттуда с архимедовым криком «Эврика!», но в протоколе ближайшего академического понедельника появилась следующая запись:
Заседание 24 февраля 1896 г. Сообщение Анри Беккереля… …Фотографическую бромосеребряную пластинку Люмьера обертывают двумя листками очень плотной черной бумаги… Сверху накладывают какое-нибудь фосфоресцирующее вещество (бисульфат урана и калия), а затем все это выставляют на несколько часов на солнце.
При проявлении фотопластинки на черном фоне появляется силуэт фосфоресцирующего вещества.
Так что же - сбылось пророчество?
Сразу видно, что Беккерель совершил элементарную логическую ошибку. Разве он имел право говорить в своем сообщении: «накладывают какое-нибудь фосфоресцирующее вещество»? В течение месяца «какие-нибудь» вещества не засвечивали пластинку! Успех принесла урано-калиевая соль. Точно такую же логическую ошибку совершил он с самого начала: у Рентгена была флюоресценция - значит, флюоресценция порождает Х-лучи.
Но потому-то и неисповедимы пути познания, что на этих путях даже ошибки порою приводят к великим открытиям.
Существенно, чтобы ошибки побуждали не к бездеятельности, а к исканиям.
Анри Беккерель оказался скверным пророком, но был Прекрасным экспериментатором. Принято говорить, что ему, как Рентгену, помог случай. Но справедливей другое: ему помогло упорство в заблуждении! Он просто не мог не дойти до урановых солей.
Остальное многократно описано. В следующий понедельник Парижская академия снова слушала сообщение Беккереля.
Заседание 2 марта 1896 г. …Я особенно настаиваю на следующем факте, кажущемся мне весьма многозначительным… Те же кристаллы, содержащиеся в темноте, в условиях, когда возникновение радиации под действием солнечного света - исключается, дают тем не менее фотографические отпечатки. В среду 26-го и в четверг 27 февраля 1896 г. солнце появлялось лишь с большими перерывами. Я отложил совсем подготовленные опыты и, не трогая кристаллов соли урана, установил кассеты в ящике стола - в темноте. В следующие дни солнце не появлялось вовсе, но, проявив пластинки 1 марта, я обнаружил на них совершенно отчетливые контуры.
Беккерель вынужден был, наконец, задать себе простейший вопрос: чем отличается загадочно излучающее вещество от всех остальных фосфоресцирующих веществ, испытанных прежде? Ответ был короток: присутствием атомов урана!
На два с лишним месяца физик превратился в химика.
На его лабораторном столе перебывали все известные соединения урана во всех видах - «обладающие и не обладающие фосфоресценцией; кристаллизующиеся, расплавленные или находящиеся в растворе». На счастье, именно в это время известный химик - тезка и ровесник Беккереля - Анри Муассан разрабатывал метод получения чистого урана. В мае Беккерель смог положить на черный пакетик с пластинкой металлический урановый диск.
Это была лучшая из непонятных фотографий. (Максвелл был прав: не надо «отговаривать человека от попытки провести тот или другой эксперимент. Если он не кайдет того, что ищет, он, может быть, откроет нечто иное».
Вероятно, в случае с Беккерелем физике всего более повезло, что он был академиком и собственным руководителем: некому было отговаривать его от бесплодных опытов.) Радиационная активность урана скоро получила название радиоактивности. О ней заговорили как о таинственном явлении природы не только популяризаторы науки, но и сами ученые. Всего таинственней была неистощимость этой радиации. Проходили день, два, неделя, месяц, а способность урана или его соединений испускать невидимые лучи отнюдь не убывала. А между тем не могло быть сомнений, что урановое излучение несет с собою энергию: об этом свидетельствовали засвеченные пластинки. Казалось непонятным, откуда эта неиссякающая энергия берется.
Столь же таинственным было и другое: интенсивность этой радиации нельзя было ни уменьшить, ни увеличить. Этот кран нельзя было ни прикрутить, ни отвернуть посильнее.
Никакие лабораторные средства тут не годились: уран оставался равнодушным и к нагреванию, и к охлаждению, и к электрическим полям, и к магнитным, и к механическому давлению, и к химическим превращениям… С невиданным постоянством он продолжал излучать свою невидимую радиацию!
Много лет спустя соотечественник Беккереля Луи де Бройль сказал: «Все физики поняли важность этого открытия, но весьма немногим, конечно, интуиция подсказала, что оно позволит нам проникнуть в наиболее сокровенные части вещества, в сердце атома, которое мы называем сегодня ядром…»
Эти слова нуждаются в поправке и дополнении.
Поправка. Когда ученые через десятилетия оглядываются на прожитое, год или два теряют существенное значение для общей картины истории. Но когда история еще творится, каждый месяц у нее на счету. В 1896 году Беккерель едва ли согласился бы с мнением, что все физики поняли важность его открытия. Это мог бы сказать о своей находке Рентген, но не Беккерель. Х-лучи немедленно породили все нарастающую волну новых исследований. С лучами урана этого не случилось.
Всю весну, лето, осень, зиму и новую весну 1897 года французский академик продолжал в одиночестве заниматься изучением урановой радиации. Физик Альфред Ромер объяснил это так: «Лучи Беккереля, поскольку они не давали снимков костей, не были столь заманчивы, как рентгеновы…» Норман Фезер рассудил, по-видимому, точнее: «Только тому, что подавляющее большинство физиков было целиком поглощено работой над открытием Рентгена, можно приписать тот факт, что Беккерель в течение года с лишним оставался практически единственным исследователем в равно обещающей области научных исканий».
Мария Склодовская еще занималась изучением ферромагнетизма в лаборатории Пьера Кюри. Они оба приступили к своим эпохальным работам по радиоактивности только в конце 1897 года.
На несколько месяцев раньше впервые взял в руки урановую соль Эрнст Резерфорд. И с этим связано коротенькое дополнение к словам де Бройля. Именно Резерфорду совсем скоро предстояло стать во главе тех «весьма немногих», чьей интуиции тут открылся путь в глубины вещества - «в сердце атома».
7
Итак, рентгеновы лучи уже сделали в Париже неоценимое историческое дело. «Беда никогда не приходит одна», - пошутил Дж. Дж. Томсон. Можно продолжить его шутку: беды не ходят и парами - «третью беду» принесла физике стараниями самого Томсона Кавендишевская лаборатория.Новогоднее послание Рентгена произвело в Кембридже впечатление столь же сильное, что и в Париже. И первая реакция Томсона была не оригинальна: надо прежде всего сполна испытать «совсем особого рода удовольствие», какое испытал вюрцбургский профессор. Эбенизер Эверетт получил ясное задание.
Один пункт в этом задании носил характер отнюдь не физический: следовало раздобыть лягушку с прибрежных низин на Кеме.
Вскоре рентгеновский снимок этой счастливой лягушки пересек два океана и лег на дощатый стол в Пунгареху, свидетельствуя перед лицом мастера Джемса и учительницы Марты, что сын их Эрнст занимается в Кавендише необычайными вещами.
А в Кавендише, потешившись прекрасными анатомическими снимками, сразу приступили к изучению физики рентгеновых лучей. Эрнст на маорийский лад объяснял Мэри:
«Теперь едва ли не каждый профессор в Европе уже ступил на тропу войны!» В этом соревновании исследовательское чутье Дж. Дж. и одна его старая научная привязанность повели Кавендишевскую лабораторию по самому многообещающему пути.
В старости, подводя итоги, Дж. Дж. с улыбкой вспоминал, что в его сознательной жизни не было такого периода, когда бы он с большей или меньшей страстью не предавался изучению электрических явлений в газах. Это было как наваждение. И в те же дни, когда Анри Беккерель, внимая «голосу крови», весь отдавался своей наследственной приверженности к фосфоресценции, Дж. Дж. почувствовал, что не сможет спокойно жить, пока не узнает, окажут ли Х-лучи какое-нибудь влияние на электрические свойства вещества в газообразном состоянии. 28 января 1896 года он впервые подверг рентгеновскому облучению сосуд с газом. И вместе с рисерч-стьюдентом Мак- Клелландом наблюдал желанный эффект: нейтральный газ под действием Х-лучей становился на короткое время проводником электричества.
Собственно, больше ничего и не случилось. Сущая малость.
Но эта малость была настолько важна, что кембриджец Эпплтон впоследствии сравнивал происшедшее с прорывом фронта. В подтверждение своей правоты он ссылался на мнение Резерфорда. А Резерфорд говорил, что то было началом «периода пионерского продвижения вперед по необжитой и плодородной стране, когда день за днем поднимались целинные земли, когда открытие за открытием следовали стремительной чередой».
Томсон повел в этот поход лучшие силы Кавендишевской лаборатории и прежде всего своих молодых, полных энтузиазма докторантов. И хотя он видел, как много времени отнимает у Резерфорда магнитный детектор, и знал, что новозеландцу в его ночных экспериментах приходится прибегать к помощи Таунсенда и Мак-Клелланда, и понимал, что вдобавок свободные часы уходят у него на репетиторство, он все-таки уже в марте предложил ему совместную работу по новой теме.
Он спешил. Он был увлечен неожиданно открывшимися перспективами. И верил, что Резерфордово уменье идти «прямо >к самому сердцу проблемы» поможет и ему, Томсону, быстрее добраться до сути дела. А влекла его забрезжившая надежда раскрыть, наконец, физический механизм электропроводности газов.
Благодаря Х-лучам эта надежда стала реальной. Появился легкий и безотказный способ простым облучением делать газ проводником электричества и снимать эту проводимость, прекращая облучение. Таково было исходное утверждение, с которого начиналась первая совместная работа Томсона и Резерфорда.
Позже эту работу стали называть эпохальной. На пятнадцати страницах журнальной статьи была экспериментально и теоретически обрисована правдоподобная картина процессов, происходящих в газе, когда он становится проводником электричества. Даже сегодня авторитеты признают, что та картина была «во всех существенных деталях совершенно корректной».
Но что же тут могло быть эпохального? О каком пионерском походе по какой незнаемой земле мог говорить Резерфорд. любивший иронию больше торжественного пафоса? Электропроводность газов… Разве не была это всего лишь частная физическая проблема - одна из тысяч?
Внешне так оно, конечно, и выглядело. Но в сердце этой проблемы лежало устройство молекул и атомов. Вот куда вел открывшийся путь! А потому и любые громкие слова были тут уместны. И легко понять, почему в октябре 96-го года Эрнст шутливо предупредил Мэри, чтобы она не удивлялась, если однажды утром узнает из каблограммы какую-нибудь оглушительную новость.
Картина электропроводности представилась Томсону и Резерфорду в очень простой схеме. …В нейтральном газе появляются носители зарядов - положительных и отрицательных. Они появляются обязательно в равных количествах. Под влиянием электрического поля положительные движутся к отрицательному электроду, отрицательные - к положительному.
Прибор регистрирует возникновение тока. Прежде нейтральный газ становится проводником. Противоположно заряженные носители, встречаясь в пути, могут взаимно нейтрализоваться.
Томсон дал убедительную и несложную математическую теорию этих физических событий. Резерфорд с такой же убедительностью и простотой обосновал эту картину экспериментально. Дж. Дж. не обманулся в своих ожиданиях. «Резерфорд разработал весьма остроумные методы измерения… и получил очень ценные результаты…» - рассказывал позже Томсон.
Измерению подлежало все, что можно было измерить: начиная с силы тока и кончая скоростью движения заряженных частиц. На опыте можно было наблюдать зависимость хода событий от времени, ог интенсивности облучения, от природы газа..'. Всякое изменение условий требовало новой серии опытов. И с каждой серией связывалось одно и то же ожидание: окажется ли и в этом случае справедливой теория? Не обнаружится ли вдруг, что в облученном водороде происходит одно, а в парах ртути - другое? Сомнений было больше, чем можно здесь перечислить без риска погрузиться с головой в томящее однообразие подобных лабораторных исследований - нескончаемых и равномерно напряженных, как путь по кочковатой тропе через необозримое болото… (Со стороны - монотонная скука. Но для идущего дорога полна незнаемого. И потому каждый шаг - испытание зоркости и силы.) Всю весну и лето 96-го года, до самого Ливерпуля, Резерфорд делил свое время и озабоченность между третьим и первым этажами Кавендиша. В маленькой комнате наверху его ждал магнитный детектор. В профессорском кабинете Томсона - рентгеновские трубки.
Теперь эта тихая комната с трехстворчатым окном, где он впервые встретился со «стариком Томсоном», перестала быть уединенной. Верный Эверетт безуспешно оберегал обитель шефа от вторжений рисерч-стьюдентов. Он пытался, как рассказывает Рэлей-младший, заключить с молодыми учеными соглашение, по которому лаборатория Дж. Дж. получила бы статут «частной комнаты». Из этого ничего не вышло. Рисерч-стьюденты являлись в кабинет профессора, когда им заблагорассудится. То приходили советоваться, то приходили спорить.
Чаще всего советоваться и значило - спорить. Томсону до старости было еще далеко, и он в те годы не предпочитал одиночества, как то случилось впоследствии. Когда вопрос ставил его в тупик, он признавался без обиняков: «Я не знаю, как на это ответить». И ответ начинали искать сообща. Дуэльная атмосфера внезапно разгоравшихся дискуссий всем напоминала студенческие годы. И молодила даже молодых.
Резерфорд не любил усаживаться за стол для долгих научных говорений. Кембриджцы открыли в нем черту, которой еще не заметили новозеландцы: нетерпеливость. Он словно начал торопить себя и события. Он спорил на ходу. Спорил, не прерывая возни с экспериментальной установкой. И только постороннему могла почудиться невежливость в том, как отвечал он Томсону, не поднимая головы и словно защищая свои суждения широкой спиной и крутыми плечами. Что-то заставляло с безусловным доверием относиться к его суждениям. Однако вовсе не всегда бывал он прав. И в ту молодую пору с ним еще легко было не соглашаться: он умел не настаивать на своих заблуждениях только оттого, что это были его заблуждения. И даже если его союзником в споре оказывался Томсон, а противником, скажем, Таунсенд, он без труда становился на точку зрения последнего, как только обнаруживалось, что на стороне Таунсенда авторитет фактов.
Рэлей-младший вспоминал, как наивны и неверны были первоначальные представления Томсона и Резерфорда о переносчиках зарядов в облученном газе. Один из ранних опытов направил их мысль по ложному пути.
В трубке с газом они поместили между электродами тампон из стеклянной ваты. Для молекул газа он не был препоной.
А для заряженных частиц, возникающих при облучении?
Еще ничего не зная достоверного об их происхождении и размерах, Томсон и Резерфорд решили проверить, пройдут ли эти частицы через столь тонкий фильтр. Не прошли!