Страница:
Однако поначалу две механики враждовали. Шредингер в дискуссии с Бором называл «проклятыми» квантовые скачки: он полагал, что такие нарушения непрерывности антифизичны и невозможны. Гейзенберг в письме к Паули называл «ужасной» физическую суть волновой теории: он полагал, что она пренебрегает всем своеобразным - неклассическим - в бытии микромира. Означали же эти полемические резкости обоих равноправных основателей квантовой механики лишь одно: рождение ее не было идиллическим - оно явилось истинной драмой идей.
А Резерфорд оставался в стороне от этой драмы.
Он продолжал отмалчиваться и тогда, когда в том же 26-м году Шредингером была доказана полная эквивалентность матричной и волновой механик, выразивших одну и ту же правду природы на разных математических языках. Правда эта состояла в полной симметрии волновых и корпускулярных свойств у элементарных атомных частиц.
Он не стал менее безучастным к происходящему и тогда, когда в том же 26-м году Макс Борн выдвинул вероятностное толкование законов микромира. А это толкование неизбежно приводило к небывалому утверждению, что статистические закономерности могут господствовать и господствуют не только в жизни больших скоплений микрочастиц, но и в поведении каждого электрона, протона, атома.
Он не изменил своему равнодушию и тогда, когда в следующем, 1927 году Гейзенберг открыл Соотношение неопределенностей, ставшее основным законом квантовой механики.
А этот закон показывал, что для частицы-волны бессмысленно ожидать одновременной полной определенности в ее местоположении и в величине ее скорости. Это значило, что в микро- мире нет классических траекторий! Точные орбиты.электронов в планетарном атоме превращались в иллюзию. Отныне можно было говорить лишь о вероятности пребывания электрона здесь или там…
Казалось бы, уж тут-то он должен был зарычать. И выразить свое несогласие. Или согласие. Но он не зарычал и теперь. И по-прежнему неизвестным оставалось - согласен он или не согласен?
Суть в том, что он сам этого не знал.
Он не знал этого и тогда, когда осенью 27-го года в Брюсселе на 5-м Сольвеевском конгрессе развернулась историческая дискуссия о физическом понимании квантовомеханических закономерностей.
Уже стало ясно, что Соотношение неопределенностей узаконило вероятностное толкование всех событий в микромире: где неустранимые неопределенности - там торжество случайности и господство законов статистики. И уже стало ясно, что классическая однозначная причинность должна уступить место иной - многозначной причинности. Все-таки причинности, а не произволу, ибо вероятностные закономерности нисколько не хуже других. Но уже прозвучало шутливое слово Эйнштейна о квантовой механике: «Я не могу допустить, что господь бог играет в кости!» Однако вместе с тем уже многократно подтвердилась истинность выводов и предсказаний новой механики. И Вор с неопровержимой убедительностью доказывал ее внутреннюю непротиворечивость и логическую состоятельность.
Крупнейшие физики современности вели той осенью в Брюсселе ожесточенную дискуссию о квантовой революции. И стало очевидно, что в существе своем это философский спор.
Столкнулись разные философии природы, которые в последующие годы напрасно клеймили всяческими «измами» (хоро шими и дурными). Просто одна из них была традиционной натурфилософией, а другая - новаторской. На стороне пераой стояли Эйнштейн, Лоренц, Ланжевен, де Бройль, Шредингер…
На стороне второй - Бор, Ворн, Гейзенберг, Паули, Дирак…
А Резерфорд?
Ему самому неведомо было, с кем он…
К огорчению автора его жизнеописания, сэр Эрнст не был с новаторами. Но, к радости автора его жизнеописания, сэр Эрнст не был и с традиционалистами. Конечно, он имел в запасе вполне удовлетворительное оправдание - «я не теоретик». Оно всегда было к его услугам. Однако он слишком хорошо знал по долгому своему опыту, что теория и эксперимент - сиамские близнецы с общей кровеносной системой, и поэтому разрешал себе пользоваться этим оправданьем разве что для красного словца. Так, посмеиваясь, он однажды сказал о теоретиках-квантовиках, не различая правых и виноватых:
Они играют в свои символы, а мы в Кавендише добываем неподдельные твердые факты природы.
Эта формула психологически помогала ему держаться над схваткой. Но легковерно было бы принимать ее слишком всерьез.
Тогда ведь пришлось бы допустить, будто он не замечал, что и на Фри Скул лэйн, буквально под его окнами и у него sa стеной, шла азартная игра в символы. Дарвин, Фаулер, Дирак, а чуть позже Хартри и Мотт - словом, все, кого Бор называл впоследствии «сильнейшей кембриджской группой», - тоже ведь могли сказать о себе: «мы в Кавендише». А между тем добыванием «неподдельных фактов» природы они вовсе не занимались. Так, может, он только терпел их игры - по великодушию? Нет, он отлично знал, чем они увлечены, и, поощрял их искания с обычной океанской и пророческой своей широтой. И это не пустая фраза: всех своих кавендишевских квантовиков он часто и надолго то отпускал, то сам посылал в Копенгаген. Необычным было лишь то, что он не торопил их требованиями скорейших результатов и не устраивал им грозных инспекций. Он сознавал, что руководить их поисками не мог бы. Но единственный директорский вывод, который он делал из этого, заключался в предоставлении им обеспеченной свободы исканий. Позиции над схваткой это не противоречило.
Короче, он сделал все, чтобы не помешать Кавендишу с течением лет самому превратиться в один из эпицентров квантового потрясения основ. Можно даже сказать сильнее: непреднамеренно он делал все, чтобы это однажды случилось.
И это случилось. В 1928 году.
В 1928 году П. А. М. Дирак, и без того уже внесший свой глубоко оригинальный вклад в развитие методов новой науки, сумел обручить ее со специальным принципом относительности Эйнштейна. Квантовая механика распространила свои права на случаи движения микрокентавров со скоростями, близкими к световой. Появилось так называемое релятивистское уравнение Дирака, вскоре ставшее не менее знаменитым, чем волновые функции Шредингера или матрицы Гейзенберга. Ко всем странностям, уже обнаружившимся на микроуровне бытия материи, прибавились новые, раскрытые гением невозмутимо-сосредоточенного кембриджского теоретика.
Нильс Бор писал, что «Дирак с ранней юности отличался уникальной мощью своего логического мышления». И бдительность его логики нельзя было усыпить. Однажды на физической конференции в Копенгагене японский теоретик Нишина испещрял доску выводом многочленной формулы, уже известной слушателям по розданной им рукописи. Дирак заметил, что у третьего члена на доске стоит «-», а в рукописи «+» Нишина дал разъяснение: «Надо как в рукописи, а при выводе на доске я где-то в одном месте ошибся». «В нечетном числе мест!» - тотчас поправил его Дирак. И возразить было нечего, ибо нечетное повторение ошибки в знаке дает тот же итог, что и одна ошибка.
Подумать только, что эта рыцарская неподкупность логики могла достаться не теоретической физике, а электротехнике!
Так случилось бы почти наверняка, если бы молодой Дирак, получив высшее образование в Бристоле, сразу нашел работу по специальности. К счастью, он работы не нашел, и это привело его в Кембридж, где он стал «математическим физиком», учеником Ральфа Фаулера, и в один прекрасный день - слушателем Вернера Гейзенберга.
Самым впечатляющим подвигом рыцарской логики Дирака стал его вывод из собственного релятивистского уравнения, что в природе может существовать положительно заряженный двойник электрона - его античастица.
Между прочим, формально тут все как раз и сводилось к игре знаков «+» и «-» перед квадратным корнем в эйнштейновском выражении для энергии частицы. Математически - и только математически! - предсказывалось бытие доселе неведомой крупицы вещества. Это выглядело по тем временам еще поразительней, чем предсказание Плутона.
В астрономических прогнозах работала старая, веками испытанная классическая механика. А тут заявляла непомерные претензии наука, родившаяся-то всего три года назад и у стольких авторитетов находившаяся покуда что на серьезнейшем подозрении. («Пикассо-физика»!) Как отнесся к дираковскому предсказанию Резерфорд?
Об этом до сих пор ничего не рассказали мемуаристы, и Дирак пока еще воспоминаний не публиковал. Но вот в чем нельзя усомниться: Резерфорд, безусловно, должен был вспомнить, как шестью годами раньше, в мае 1922 года, у него у самого был случай поговорить о возможном существовании положительного электрона.
Он тогда читал очередную кельвиновскую лекцию инженерам-электрикам, и ему захотелось объяснить им, отчего носителю единичного положительного заряда - водородному ядру - было отказано в чести именоваться положительным электроном, а придумано было для него новое слово - протон:
Следовало принять априори, что позитивный электрон должен был бы быть двойником отрицательного электрона и иметь ту же самую малую массу. Не было, однако, ни малейших намеков на существование такого двойника.
Но поскольку можно было возразить, что носитель положительного электричества с массой гораздо меньшей, чем у ядра водорода, быть может, будет еще открыт, казалось нежелательным ставить под сомнение эту возможность присвоением имени позитивного электрона водородному ядру.
Ну, а так как крестным отцом протона, обсуждавшим эту дилемму, был он сам, Резерфорд, то однозначно ясно, что видение позитрона посещало его задолго до теоретического предсказания Дирака. И настолько реальным было это видение, что вот ведь даже имя было зарезервировано для него в ожидании дня, когда оно явится во плоти.
Поэтому легко представить, что остаться равнодушным к «игре в символы» на этот раз сэру Эрнсту было много труднее, чем когда-либо прежде. Воображению рисуется вспышка его бурного одобрения. И воображать эту вспышку тем интересней, что о Дираке известно: он сам пребывал в сильнейшем смущении оттого, что, безусловно доверяя своей логике, должен был утверждать возможное существование не только антиэлектронов, но и антипротонов, антиатомов, а там и антимиров…
Резерфорд мог шумно радоваться, что его вещное чувство реальности теперь вправе было опереться на бесплотный минус в формуле смятенного теоретика. (Вот только радовался ли он этому в действительности, к сожалению, неизвестно.) В том же 28-м году случилось в Кавендише еще и другое событие, уже наверняка понудившее Резерфорда оставить, наконец, позицию над схваткой.
Квантовая механика прорыла туннель к атомному ядру.
Чадвик и я работаем над рассеянием альфа-частиц и надеемся вскоре опубликовать интересные результаты.
Я хочу узнать об атомном ядре немножко больше, прежде чем совсем отойду от настоящей работы.
Была в этих словах его всегдашняя ненасытимая жадность, но прослушивалось и что-то новое: пожалуй, отголосок глубоко запрятанной усталости. Или смиренного понимания, что ему уже не открыть и не постигнуть всего, что хотелось бы. Сначала уходит время посева, потом уходит время жатвы. Не в том только дело, что с годами все больше сил и сосредоточенности будет отнимать у него «ненастоящая работа», а в том еще - и не это ли главное? - что сами наши силы и наша сосредоточенность суть убывающие функции времени. Словом, это звучало грустно: «Я хочу узнать немножко больше, прежде чем…»
Вся надежда его была по-прежнему на рассеяние альфа-частиц: ог картин рассеяния ожидал он желанной информации об устройстве ядер. Создание более мощной атомной артиллерии еще продолжало оставаться делом неясного будущего. Новое пока врывалось лишь в методы регистрации альфа-снарядов и осколков разбитых ядер.
Методу сцинцилляций, как заслуженному ветерану, уже готовилась почетная отставка. И была ирония истории в том, что только под конец своей блистательной карьеры он, этот метод, удостоился и сам пристального изучения. В самом деле, ведь никто еще не выяснял причин его эффективности! Никто не мог бы точно сказать, а что, собственно, светится на экране из сернистого цинка? Какая доля энергии альфа-частицы превращается в энергию этого свечения? И какова чувствительность глаза при общепринятых условиях счета? Сколько квантов он видит?
С благословения Резерфорда ответы на эти вопросы искал молодой его рисерч-стьюдент из Ленинграда Юлий Харитон, работавший в Кавендише как раз в ту пору - с осени 26-го по осень 28-го года. В содружестве с молодым канадцем Ли и с помощью препаратов Кроу эти ответы Харитон получил.
Выяснилось, между прочим, что каждая сцинцилляция - акт сзечения не отдельного атома, как думал некогда Резерфорд. а целого кристалла. И было доказано, что нижний порог чувствительности глаза - 30 квантов зеленого света, а после хорошей тренировки - 20…
Эта работа дала Харитону - впоследствии выдающемуся атомнику - неоценимый опыт тонкого экспериментирования, снискала ему живейшую симпатию Резерфорда и принесла звание доктора философии Кембриджского университета. Но дни сцинцилляционного метода были уже сочтены. Как рассказывает Коккрофт, в разных отдаленных углах и подвалах лаборатории кавендишевец Винн-Вильямс и его помощники уже собирали в то время первые усилительные схемы автоматического счета заряженных частиц. На ядерную физику начинала работать электроника тех лет. Харитон и Ли как бы написали впрок прекрасную эпитафию эпохе, когда безденежные кавендишевцы, натренировав свои глаза на 20 квантов, могли уверенно рассчитывать на приработок у Чадвика.
Однако от этого не становились менее обнадеживающими попытки узнать об атомном ядре «немножко больше» именно по картинам рассеяния альфа-частиц. Напротив, теперь эти картины обещали давать более точную информацию.
Беда была в другом: накапливались факты, но не росло понимание. И это-то заставило Резерфорда написать грустную фразу в письме к Хевеши. …Не второстепенности ускользали от понимания, а самое главное. «Большие трудности возникают в тот момент, когда мы задаемся вопросом, почему ядро атома держится как нечто целое…» - говорил Резерфорд в одной из лекций 27-го года.
И пояснял, что силы взаимного отталкиванья одинаково заряженных частиц, огромные на ничтожных внутриядерных расстояниях, должны были бы по закону Кулона разрывать ядро на куски.
Надо было допустить, что в ядрах действуют по своим законам какие-то еще силы неэлектрического характера - мощные силы притяжения. Стоя непреодолимым потенциальным барьеоом на страже цельности атомных ядер, они не дают им рассыпаться на составные части. Опыты по рассеянию альфа-частиц показывали, где проходит этот барьер, и позволяли вычислить его высоту.
Для ядра урана она оказывалась не ниже 10 миллионов электрон-вольт. Отсюда следовал немедленный вывод, что излучаемые ураном альфа-частицы должны обладать не меньшей энергией движения: в противном случае, по классическим законам механики, как смогли бы они преодолеть барьер уранового ядра? А между тем… А между тем давно было известно, проверено и перепроверено, что энергия альфа-частиц урана - всего 6 миллионов электрон-вольт. И стало быть, по законам классики, они никогда не могли бы вырваться из своего ядерного плена. Так было и с другими альфа-излучающими атомами.
Альфа-распад становился явлением загадочным. Классика его запрещала. А природа разрешала!
Между прочим, по словам Бора, одним из первых обратил внимание на странность происходящего молодой Роберт Оппенгеймер. Выло это как раз в 27-м году, когда он перед поездкой в Геттинген для работы у Макса Борна некоторое время провел в Кавендишевской лаборатории. Там, в кабинете Резерфорда, Бор и познакомился с ним. Со временем они стали друзьями, хотя датчанин годился в отцы американцу. И через три десятилетия, в 50-х годах, когда маккартистская Америка травила Роберта Оппенгеймера как противника водородной бомбы, Бор со всегдашней своей высочайшей порядочностью намеренно и подчеркнуто заявил о близкой дружбе, связывающей его с Оппи. Он сделал это в мемориальной резерфордовской лекции. И там же рассказал, с какою безошибочностью в 1927 году Резерфорд восторженно отозвался о богатой одаренности двадцатитрехлетнего физика из Штатов.
Можно поручиться, что сэр Эрнст оттого-то и отнесся тогда с повышенным интересом к Оппенгеймеру, что тот задумался над противоречивым фактом проникновения недостаточно энергичных частиц через высокие потенциальные барьеры. Это противоречие все более и более томило тогда самого Резерфорда.
Сознавая безысходность положения, он недаром требовал новых законов: чутье подсказывало ему, что старыми тут не обойдешься. Но вместе с тем он еще пытался выйти из затруднений миролюбиво - с помощью одних классических представлений. В сентябре 27-го года он даже опубликовал в «Philosophical magazine» чисто теоретическую статью «Структура радиоактивных атомов и происхождение альфа-лучей», в которой, по его же собственным словам, выразилось «стремление примирить явно противоречащие друг другу данные…».
Примирить! Не очень-то это было в духе времени. В том самом сентябре 27-го года уже готовились к решительной схватке на 5-м Сольвеевском конгрессе традиционалисты и новаторы. А ведь прежде и он, как редко кто, умел обнажать конфликты и обострять в непонятном черты необычности. Не так ли было с открытием эманации тория, и с отражением альфа-частиц от сердцевины атомов, и с выбиванием длиннопробежных протонов из азотных ядер? И во всех этих случаях дело кончалось эпохальными свершениями: теорией радиоактивного распада, планетарным атомом, расщеплением ядра… Так, может быть, и на этот раз все могло кончиться новым громким успехом, если б он, как бывало, обострил ясно обозначившийся конфликт между классикой и природой?
Конечно, могло! И даже наверное…
Зная наперед, как разрешилось противоречие, легко набросать простую схему очередного выдающегося открытия, помаячившего перед ним, но в руки ему не давшегося.
В самом деле, разве не смог бы он прийти к идее волн-частиц и увериться, что микромир населен этими неклассическими кентаврами? Обострение конфликта означало бы, что альфа-частица, преодолевая барьер, превышающий ее энергию, совершает поступок, абсолютно невозможный для корпускулы.
Абсолютно! Но так как она его все-таки совершает, не оставалось бы другого выхода, как допустить, что природа наделила ее не только корпускулярными свойствами. И если бы четыре года назад де Бройль не провозгласил двойственности электрона, он, Резерфорд, вынужден был бы сейчас на свой страх и риск объявить коллегам о двойственности альфа-частиц: в их поведении с несомненностью сказывается некая волнообразность.
Он объяснил бы: им, корпускулам, как видно, присуща та черта, что позволяет световым волнам огибать препятствия или проникать за поверхность раздела двух сред даже тогда, когда лучи падают под углом полного внутреннего отражения. Поток частиц - классических корпускул - ни на то, ни на другое не способен: явлений диффракции не дает и от запретной границы отражается полностью. И если потенциальный барьер вокруг ядра такой границей для альфа-частиц не служит, то нельзя не признать, что они - волны. Тогда их незаконное просачиванье сквозь барьер сразу становится законным. И альфа- распад перестает быть загадкой. А так как они вместе с тем все-таки частицы, то нужно согласиться, что микромир населен кентаврами. (Логический переход от альфа-частиц к любым микрообъектикам был бы совершен без труда.) Так что же: перед Резерфордом маячило как бы второе открытие основной физической идеи квантовой механики? Если угодно - да. Но для физики имело бы значенье не это переоткрытие уже известного, а более скромное достижение: первое качественное указание на возможность волнового решения проблемы потенциального барьера. Дальше началась бы громоздкая математика, однако бесценна была бы тогда именно эта физическая подсказка.
А она его не осенила!
И это редкий случай, когда можно понять, почему не осенила… (Или только кажется, что это можно понять?!) Не оттого ли так случилось, что Резерфорд впервые оказался не на уровне века? Слишком долго отмалчивался от спорной новизны. Слишком задержался в позиции над схваткой.
Слишком часто пошучивал не совсем безобидно:
Тенденции современной физики? Я не могу написать об этом статью. Тут и разговоров-то всего на две минуты. Все, что я мог бы сказать, сводится к одному - физики-теоретики ходят хвост трубой, а мы, экспериментаторы, время от времени заставляем их сызнова поджимать хвосты!
Так ответил он на предложение выступить перед очередным конгрессом Би-Эй с посланием о «тенденциях современной физики». А может быть, в действительности все объяснялось без психологических хитростей и затей. Может быть, просто начал уже ощутимо сказываться в его деятельности всеобщий человечий закон убывания с течением жизни духовного плодородия? Может быть.
Так или иначе, но теория альфа-распада была добыта не на Фри Скул лэйн.
И зримо ясным было: чем выше энергия альфа-частицы, тем ближе к вершине горы расположен ее туннель. И тем он короче. А следовательно, тем вероятней альфа-распад. И стало быть, тем меньше среднее время жизни радиоактивного элемента. Но как раз такая - обратно пропорциональная - зависимость между энергией испускаемых альфа-частиц и периодом полураспада альфа-излучагелей была замечена в резерфордовской обители уже давно, еще в манчестерские времена, и получила название закона Гейгера - Нэттолла.
Туннельный эффект был тем самым волновым просачиванием микрокентавров через потенциальный барьер, которое могла предсказать только квантовая механика. С помощью. волнового уравнения Шредингера и Соотношения неопределенностей Гейзенберга теоретически получались результаты, прежде бытовавшие в теории радиоактивности как эмпирические закономерности.
- Работа Гамова произвела колоссальное впечатление в Кембридже. Все были взбаламучены. - Это слова К. Д. Синельникова, к той поре уже год как работавшего в Кавендишевской лаборатории.
А что уж говорить о реакции Резерфорда!
Вдруг, проснувшись однажды утром, он обнаружил, что может без новых усилий «узнать об атомном ядре немножко больше». Но, сверх того, и это было особенно важно, он смог окончательно и бесповоротно увериться в могуществе квантовомеханических подходов и построений. Теория туннельного эффекта сумела не только разрешить многие старые трудности, но еще и предсказала необычные возможности лабораторного вторжения в атомное ядро. Ничем другим нельзя было бы подкупить Резерфорда вернее.
«У волновой механики удивительное свойство - она работает…» - стал говорить он. Запас карман не ломит: насмешливый эпитет «удивительное» гарантировал ему приятное право в случае чего поворчать вместе со всеми скептиками по поводу философской неблагонадежности вероятностного понимания микромира. Однако существенно было, что работоспособность новой механики признавалась им теперь не молча, а вслух и с деловыми последствиями. Вполне деловыми.
А суть новых возможностей эксперимента хорошо и точно отражалась в появившемся тогда термине - «обратный туннельный эффект». Буквально - обратный: речь шла уже не об испускании альфа-частицы, а об ее проникновении снаружи в атомное ядро.
Ясно было, что и на этом пути перед нею вырастает гора потенциального барьера. Не какого-нибудь нового, а уже знакомого нам энергетического барьера, но только обращенного к ней теперь своим внешним склоном. В самом деле: несущая двойной положительный заряд, она не может ворваться в ядро, не преодолев сначала мощных сил отталкиванья положительного заряда этого ядра. Они-то и создают внешний склон барьера, да и вообще повинны в его существовании, ибо как раз против них и должны работать силы внутриядерного притяжения. И будь альфа-частицы классическими корпускулами, им для успеха вторжения… Стоит ли повторять все сначала? Довольно конца. Они микрокентавры, частицы-волны, и для успеха вторжения в ядро им не надо обладать энергией, обязательно превышающей высоту барьера. Они и снаружи способны просачиваться через него так же, как изнутри.
Короче: альфа-частицы способны на обратный туннельный эффект точно так же, как и на прямой. Последствия очевидны: скажем, для вторжения в ядро урана, окруженное барьером в 10 миллионов электрон-вольт, альфа-частице вовсе не нужно двигаться с такой энергией. Достаточно и меньшей.
Правда, чем меньше она, эта энергия движения, тем меньше вероятность успеха. Однако хоть и с меньшей вероятностью, но вторжение медленных частиц все-таки происходить будет…
А Резерфорд оставался в стороне от этой драмы.
Он продолжал отмалчиваться и тогда, когда в том же 26-м году Шредингером была доказана полная эквивалентность матричной и волновой механик, выразивших одну и ту же правду природы на разных математических языках. Правда эта состояла в полной симметрии волновых и корпускулярных свойств у элементарных атомных частиц.
Он не стал менее безучастным к происходящему и тогда, когда в том же 26-м году Макс Борн выдвинул вероятностное толкование законов микромира. А это толкование неизбежно приводило к небывалому утверждению, что статистические закономерности могут господствовать и господствуют не только в жизни больших скоплений микрочастиц, но и в поведении каждого электрона, протона, атома.
Он не изменил своему равнодушию и тогда, когда в следующем, 1927 году Гейзенберг открыл Соотношение неопределенностей, ставшее основным законом квантовой механики.
А этот закон показывал, что для частицы-волны бессмысленно ожидать одновременной полной определенности в ее местоположении и в величине ее скорости. Это значило, что в микро- мире нет классических траекторий! Точные орбиты.электронов в планетарном атоме превращались в иллюзию. Отныне можно было говорить лишь о вероятности пребывания электрона здесь или там…
Казалось бы, уж тут-то он должен был зарычать. И выразить свое несогласие. Или согласие. Но он не зарычал и теперь. И по-прежнему неизвестным оставалось - согласен он или не согласен?
Суть в том, что он сам этого не знал.
Он не знал этого и тогда, когда осенью 27-го года в Брюсселе на 5-м Сольвеевском конгрессе развернулась историческая дискуссия о физическом понимании квантовомеханических закономерностей.
Уже стало ясно, что Соотношение неопределенностей узаконило вероятностное толкование всех событий в микромире: где неустранимые неопределенности - там торжество случайности и господство законов статистики. И уже стало ясно, что классическая однозначная причинность должна уступить место иной - многозначной причинности. Все-таки причинности, а не произволу, ибо вероятностные закономерности нисколько не хуже других. Но уже прозвучало шутливое слово Эйнштейна о квантовой механике: «Я не могу допустить, что господь бог играет в кости!» Однако вместе с тем уже многократно подтвердилась истинность выводов и предсказаний новой механики. И Вор с неопровержимой убедительностью доказывал ее внутреннюю непротиворечивость и логическую состоятельность.
Крупнейшие физики современности вели той осенью в Брюсселе ожесточенную дискуссию о квантовой революции. И стало очевидно, что в существе своем это философский спор.
Столкнулись разные философии природы, которые в последующие годы напрасно клеймили всяческими «измами» (хоро шими и дурными). Просто одна из них была традиционной натурфилософией, а другая - новаторской. На стороне пераой стояли Эйнштейн, Лоренц, Ланжевен, де Бройль, Шредингер…
На стороне второй - Бор, Ворн, Гейзенберг, Паули, Дирак…
А Резерфорд?
Ему самому неведомо было, с кем он…
К огорчению автора его жизнеописания, сэр Эрнст не был с новаторами. Но, к радости автора его жизнеописания, сэр Эрнст не был и с традиционалистами. Конечно, он имел в запасе вполне удовлетворительное оправдание - «я не теоретик». Оно всегда было к его услугам. Однако он слишком хорошо знал по долгому своему опыту, что теория и эксперимент - сиамские близнецы с общей кровеносной системой, и поэтому разрешал себе пользоваться этим оправданьем разве что для красного словца. Так, посмеиваясь, он однажды сказал о теоретиках-квантовиках, не различая правых и виноватых:
Они играют в свои символы, а мы в Кавендише добываем неподдельные твердые факты природы.
Эта формула психологически помогала ему держаться над схваткой. Но легковерно было бы принимать ее слишком всерьез.
Тогда ведь пришлось бы допустить, будто он не замечал, что и на Фри Скул лэйн, буквально под его окнами и у него sa стеной, шла азартная игра в символы. Дарвин, Фаулер, Дирак, а чуть позже Хартри и Мотт - словом, все, кого Бор называл впоследствии «сильнейшей кембриджской группой», - тоже ведь могли сказать о себе: «мы в Кавендише». А между тем добыванием «неподдельных фактов» природы они вовсе не занимались. Так, может, он только терпел их игры - по великодушию? Нет, он отлично знал, чем они увлечены, и, поощрял их искания с обычной океанской и пророческой своей широтой. И это не пустая фраза: всех своих кавендишевских квантовиков он часто и надолго то отпускал, то сам посылал в Копенгаген. Необычным было лишь то, что он не торопил их требованиями скорейших результатов и не устраивал им грозных инспекций. Он сознавал, что руководить их поисками не мог бы. Но единственный директорский вывод, который он делал из этого, заключался в предоставлении им обеспеченной свободы исканий. Позиции над схваткой это не противоречило.
Короче, он сделал все, чтобы не помешать Кавендишу с течением лет самому превратиться в один из эпицентров квантового потрясения основ. Можно даже сказать сильнее: непреднамеренно он делал все, чтобы это однажды случилось.
И это случилось. В 1928 году.
В 1928 году П. А. М. Дирак, и без того уже внесший свой глубоко оригинальный вклад в развитие методов новой науки, сумел обручить ее со специальным принципом относительности Эйнштейна. Квантовая механика распространила свои права на случаи движения микрокентавров со скоростями, близкими к световой. Появилось так называемое релятивистское уравнение Дирака, вскоре ставшее не менее знаменитым, чем волновые функции Шредингера или матрицы Гейзенберга. Ко всем странностям, уже обнаружившимся на микроуровне бытия материи, прибавились новые, раскрытые гением невозмутимо-сосредоточенного кембриджского теоретика.
Нильс Бор писал, что «Дирак с ранней юности отличался уникальной мощью своего логического мышления». И бдительность его логики нельзя было усыпить. Однажды на физической конференции в Копенгагене японский теоретик Нишина испещрял доску выводом многочленной формулы, уже известной слушателям по розданной им рукописи. Дирак заметил, что у третьего члена на доске стоит «-», а в рукописи «+» Нишина дал разъяснение: «Надо как в рукописи, а при выводе на доске я где-то в одном месте ошибся». «В нечетном числе мест!» - тотчас поправил его Дирак. И возразить было нечего, ибо нечетное повторение ошибки в знаке дает тот же итог, что и одна ошибка.
Подумать только, что эта рыцарская неподкупность логики могла достаться не теоретической физике, а электротехнике!
Так случилось бы почти наверняка, если бы молодой Дирак, получив высшее образование в Бристоле, сразу нашел работу по специальности. К счастью, он работы не нашел, и это привело его в Кембридж, где он стал «математическим физиком», учеником Ральфа Фаулера, и в один прекрасный день - слушателем Вернера Гейзенберга.
Самым впечатляющим подвигом рыцарской логики Дирака стал его вывод из собственного релятивистского уравнения, что в природе может существовать положительно заряженный двойник электрона - его античастица.
Между прочим, формально тут все как раз и сводилось к игре знаков «+» и «-» перед квадратным корнем в эйнштейновском выражении для энергии частицы. Математически - и только математически! - предсказывалось бытие доселе неведомой крупицы вещества. Это выглядело по тем временам еще поразительней, чем предсказание Плутона.
В астрономических прогнозах работала старая, веками испытанная классическая механика. А тут заявляла непомерные претензии наука, родившаяся-то всего три года назад и у стольких авторитетов находившаяся покуда что на серьезнейшем подозрении. («Пикассо-физика»!) Как отнесся к дираковскому предсказанию Резерфорд?
Об этом до сих пор ничего не рассказали мемуаристы, и Дирак пока еще воспоминаний не публиковал. Но вот в чем нельзя усомниться: Резерфорд, безусловно, должен был вспомнить, как шестью годами раньше, в мае 1922 года, у него у самого был случай поговорить о возможном существовании положительного электрона.
Он тогда читал очередную кельвиновскую лекцию инженерам-электрикам, и ему захотелось объяснить им, отчего носителю единичного положительного заряда - водородному ядру - было отказано в чести именоваться положительным электроном, а придумано было для него новое слово - протон:
Следовало принять априори, что позитивный электрон должен был бы быть двойником отрицательного электрона и иметь ту же самую малую массу. Не было, однако, ни малейших намеков на существование такого двойника.
Но поскольку можно было возразить, что носитель положительного электричества с массой гораздо меньшей, чем у ядра водорода, быть может, будет еще открыт, казалось нежелательным ставить под сомнение эту возможность присвоением имени позитивного электрона водородному ядру.
Ну, а так как крестным отцом протона, обсуждавшим эту дилемму, был он сам, Резерфорд, то однозначно ясно, что видение позитрона посещало его задолго до теоретического предсказания Дирака. И настолько реальным было это видение, что вот ведь даже имя было зарезервировано для него в ожидании дня, когда оно явится во плоти.
Поэтому легко представить, что остаться равнодушным к «игре в символы» на этот раз сэру Эрнсту было много труднее, чем когда-либо прежде. Воображению рисуется вспышка его бурного одобрения. И воображать эту вспышку тем интересней, что о Дираке известно: он сам пребывал в сильнейшем смущении оттого, что, безусловно доверяя своей логике, должен был утверждать возможное существование не только антиэлектронов, но и антипротонов, антиатомов, а там и антимиров…
Резерфорд мог шумно радоваться, что его вещное чувство реальности теперь вправе было опереться на бесплотный минус в формуле смятенного теоретика. (Вот только радовался ли он этому в действительности, к сожалению, неизвестно.) В том же 28-м году случилось в Кавендише еще и другое событие, уже наверняка понудившее Резерфорда оставить, наконец, позицию над схваткой.
Квантовая механика прорыла туннель к атомному ядру.
9
Однажды - было это на первом году его президентства в Королевском обществе - он написал старому манчестерцу Дьердю Хевеши:Чадвик и я работаем над рассеянием альфа-частиц и надеемся вскоре опубликовать интересные результаты.
Я хочу узнать об атомном ядре немножко больше, прежде чем совсем отойду от настоящей работы.
Была в этих словах его всегдашняя ненасытимая жадность, но прослушивалось и что-то новое: пожалуй, отголосок глубоко запрятанной усталости. Или смиренного понимания, что ему уже не открыть и не постигнуть всего, что хотелось бы. Сначала уходит время посева, потом уходит время жатвы. Не в том только дело, что с годами все больше сил и сосредоточенности будет отнимать у него «ненастоящая работа», а в том еще - и не это ли главное? - что сами наши силы и наша сосредоточенность суть убывающие функции времени. Словом, это звучало грустно: «Я хочу узнать немножко больше, прежде чем…»
Вся надежда его была по-прежнему на рассеяние альфа-частиц: ог картин рассеяния ожидал он желанной информации об устройстве ядер. Создание более мощной атомной артиллерии еще продолжало оставаться делом неясного будущего. Новое пока врывалось лишь в методы регистрации альфа-снарядов и осколков разбитых ядер.
Методу сцинцилляций, как заслуженному ветерану, уже готовилась почетная отставка. И была ирония истории в том, что только под конец своей блистательной карьеры он, этот метод, удостоился и сам пристального изучения. В самом деле, ведь никто еще не выяснял причин его эффективности! Никто не мог бы точно сказать, а что, собственно, светится на экране из сернистого цинка? Какая доля энергии альфа-частицы превращается в энергию этого свечения? И какова чувствительность глаза при общепринятых условиях счета? Сколько квантов он видит?
С благословения Резерфорда ответы на эти вопросы искал молодой его рисерч-стьюдент из Ленинграда Юлий Харитон, работавший в Кавендише как раз в ту пору - с осени 26-го по осень 28-го года. В содружестве с молодым канадцем Ли и с помощью препаратов Кроу эти ответы Харитон получил.
Выяснилось, между прочим, что каждая сцинцилляция - акт сзечения не отдельного атома, как думал некогда Резерфорд. а целого кристалла. И было доказано, что нижний порог чувствительности глаза - 30 квантов зеленого света, а после хорошей тренировки - 20…
Эта работа дала Харитону - впоследствии выдающемуся атомнику - неоценимый опыт тонкого экспериментирования, снискала ему живейшую симпатию Резерфорда и принесла звание доктора философии Кембриджского университета. Но дни сцинцилляционного метода были уже сочтены. Как рассказывает Коккрофт, в разных отдаленных углах и подвалах лаборатории кавендишевец Винн-Вильямс и его помощники уже собирали в то время первые усилительные схемы автоматического счета заряженных частиц. На ядерную физику начинала работать электроника тех лет. Харитон и Ли как бы написали впрок прекрасную эпитафию эпохе, когда безденежные кавендишевцы, натренировав свои глаза на 20 квантов, могли уверенно рассчитывать на приработок у Чадвика.
Однако от этого не становились менее обнадеживающими попытки узнать об атомном ядре «немножко больше» именно по картинам рассеяния альфа-частиц. Напротив, теперь эти картины обещали давать более точную информацию.
Беда была в другом: накапливались факты, но не росло понимание. И это-то заставило Резерфорда написать грустную фразу в письме к Хевеши. …Не второстепенности ускользали от понимания, а самое главное. «Большие трудности возникают в тот момент, когда мы задаемся вопросом, почему ядро атома держится как нечто целое…» - говорил Резерфорд в одной из лекций 27-го года.
И пояснял, что силы взаимного отталкиванья одинаково заряженных частиц, огромные на ничтожных внутриядерных расстояниях, должны были бы по закону Кулона разрывать ядро на куски.
Надо было допустить, что в ядрах действуют по своим законам какие-то еще силы неэлектрического характера - мощные силы притяжения. Стоя непреодолимым потенциальным барьеоом на страже цельности атомных ядер, они не дают им рассыпаться на составные части. Опыты по рассеянию альфа-частиц показывали, где проходит этот барьер, и позволяли вычислить его высоту.
Для ядра урана она оказывалась не ниже 10 миллионов электрон-вольт. Отсюда следовал немедленный вывод, что излучаемые ураном альфа-частицы должны обладать не меньшей энергией движения: в противном случае, по классическим законам механики, как смогли бы они преодолеть барьер уранового ядра? А между тем… А между тем давно было известно, проверено и перепроверено, что энергия альфа-частиц урана - всего 6 миллионов электрон-вольт. И стало быть, по законам классики, они никогда не могли бы вырваться из своего ядерного плена. Так было и с другими альфа-излучающими атомами.
Альфа-распад становился явлением загадочным. Классика его запрещала. А природа разрешала!
Между прочим, по словам Бора, одним из первых обратил внимание на странность происходящего молодой Роберт Оппенгеймер. Выло это как раз в 27-м году, когда он перед поездкой в Геттинген для работы у Макса Борна некоторое время провел в Кавендишевской лаборатории. Там, в кабинете Резерфорда, Бор и познакомился с ним. Со временем они стали друзьями, хотя датчанин годился в отцы американцу. И через три десятилетия, в 50-х годах, когда маккартистская Америка травила Роберта Оппенгеймера как противника водородной бомбы, Бор со всегдашней своей высочайшей порядочностью намеренно и подчеркнуто заявил о близкой дружбе, связывающей его с Оппи. Он сделал это в мемориальной резерфордовской лекции. И там же рассказал, с какою безошибочностью в 1927 году Резерфорд восторженно отозвался о богатой одаренности двадцатитрехлетнего физика из Штатов.
Можно поручиться, что сэр Эрнст оттого-то и отнесся тогда с повышенным интересом к Оппенгеймеру, что тот задумался над противоречивым фактом проникновения недостаточно энергичных частиц через высокие потенциальные барьеры. Это противоречие все более и более томило тогда самого Резерфорда.
Сознавая безысходность положения, он недаром требовал новых законов: чутье подсказывало ему, что старыми тут не обойдешься. Но вместе с тем он еще пытался выйти из затруднений миролюбиво - с помощью одних классических представлений. В сентябре 27-го года он даже опубликовал в «Philosophical magazine» чисто теоретическую статью «Структура радиоактивных атомов и происхождение альфа-лучей», в которой, по его же собственным словам, выразилось «стремление примирить явно противоречащие друг другу данные…».
Примирить! Не очень-то это было в духе времени. В том самом сентябре 27-го года уже готовились к решительной схватке на 5-м Сольвеевском конгрессе традиционалисты и новаторы. А ведь прежде и он, как редко кто, умел обнажать конфликты и обострять в непонятном черты необычности. Не так ли было с открытием эманации тория, и с отражением альфа-частиц от сердцевины атомов, и с выбиванием длиннопробежных протонов из азотных ядер? И во всех этих случаях дело кончалось эпохальными свершениями: теорией радиоактивного распада, планетарным атомом, расщеплением ядра… Так, может быть, и на этот раз все могло кончиться новым громким успехом, если б он, как бывало, обострил ясно обозначившийся конфликт между классикой и природой?
Конечно, могло! И даже наверное…
Зная наперед, как разрешилось противоречие, легко набросать простую схему очередного выдающегося открытия, помаячившего перед ним, но в руки ему не давшегося.
В самом деле, разве не смог бы он прийти к идее волн-частиц и увериться, что микромир населен этими неклассическими кентаврами? Обострение конфликта означало бы, что альфа-частица, преодолевая барьер, превышающий ее энергию, совершает поступок, абсолютно невозможный для корпускулы.
Абсолютно! Но так как она его все-таки совершает, не оставалось бы другого выхода, как допустить, что природа наделила ее не только корпускулярными свойствами. И если бы четыре года назад де Бройль не провозгласил двойственности электрона, он, Резерфорд, вынужден был бы сейчас на свой страх и риск объявить коллегам о двойственности альфа-частиц: в их поведении с несомненностью сказывается некая волнообразность.
Он объяснил бы: им, корпускулам, как видно, присуща та черта, что позволяет световым волнам огибать препятствия или проникать за поверхность раздела двух сред даже тогда, когда лучи падают под углом полного внутреннего отражения. Поток частиц - классических корпускул - ни на то, ни на другое не способен: явлений диффракции не дает и от запретной границы отражается полностью. И если потенциальный барьер вокруг ядра такой границей для альфа-частиц не служит, то нельзя не признать, что они - волны. Тогда их незаконное просачиванье сквозь барьер сразу становится законным. И альфа- распад перестает быть загадкой. А так как они вместе с тем все-таки частицы, то нужно согласиться, что микромир населен кентаврами. (Логический переход от альфа-частиц к любым микрообъектикам был бы совершен без труда.) Так что же: перед Резерфордом маячило как бы второе открытие основной физической идеи квантовой механики? Если угодно - да. Но для физики имело бы значенье не это переоткрытие уже известного, а более скромное достижение: первое качественное указание на возможность волнового решения проблемы потенциального барьера. Дальше началась бы громоздкая математика, однако бесценна была бы тогда именно эта физическая подсказка.
А она его не осенила!
И это редкий случай, когда можно понять, почему не осенила… (Или только кажется, что это можно понять?!) Не оттого ли так случилось, что Резерфорд впервые оказался не на уровне века? Слишком долго отмалчивался от спорной новизны. Слишком задержался в позиции над схваткой.
Слишком часто пошучивал не совсем безобидно:
Тенденции современной физики? Я не могу написать об этом статью. Тут и разговоров-то всего на две минуты. Все, что я мог бы сказать, сводится к одному - физики-теоретики ходят хвост трубой, а мы, экспериментаторы, время от времени заставляем их сызнова поджимать хвосты!
Так ответил он на предложение выступить перед очередным конгрессом Би-Эй с посланием о «тенденциях современной физики». А может быть, в действительности все объяснялось без психологических хитростей и затей. Может быть, просто начал уже ощутимо сказываться в его деятельности всеобщий человечий закон убывания с течением жизни духовного плодородия? Может быть.
Так или иначе, но теория альфа-распада была добыта не на Фри Скул лэйн.
10
В октябре 1928 года эту теорию привез с собою в Кавендишевскую лабораторию молодой теоретик Георгий Гамов. …Она привлекательно называлась; теория туннельного эффекта. Тотчас возникал наглядный образ альфа-частицы, как бы роющей в горе потенциального барьера туннель, чтобы по нему вырваться из ядра наружу. Конечно, антинаглядным было, как она его роет и что это за туннель, но зацепка для воображения наличествовала бесспорно.И зримо ясным было: чем выше энергия альфа-частицы, тем ближе к вершине горы расположен ее туннель. И тем он короче. А следовательно, тем вероятней альфа-распад. И стало быть, тем меньше среднее время жизни радиоактивного элемента. Но как раз такая - обратно пропорциональная - зависимость между энергией испускаемых альфа-частиц и периодом полураспада альфа-излучагелей была замечена в резерфордовской обители уже давно, еще в манчестерские времена, и получила название закона Гейгера - Нэттолла.
Туннельный эффект был тем самым волновым просачиванием микрокентавров через потенциальный барьер, которое могла предсказать только квантовая механика. С помощью. волнового уравнения Шредингера и Соотношения неопределенностей Гейзенберга теоретически получались результаты, прежде бытовавшие в теории радиоактивности как эмпирические закономерности.
- Работа Гамова произвела колоссальное впечатление в Кембридже. Все были взбаламучены. - Это слова К. Д. Синельникова, к той поре уже год как работавшего в Кавендишевской лаборатории.
А что уж говорить о реакции Резерфорда!
Вдруг, проснувшись однажды утром, он обнаружил, что может без новых усилий «узнать об атомном ядре немножко больше». Но, сверх того, и это было особенно важно, он смог окончательно и бесповоротно увериться в могуществе квантовомеханических подходов и построений. Теория туннельного эффекта сумела не только разрешить многие старые трудности, но еще и предсказала необычные возможности лабораторного вторжения в атомное ядро. Ничем другим нельзя было бы подкупить Резерфорда вернее.
«У волновой механики удивительное свойство - она работает…» - стал говорить он. Запас карман не ломит: насмешливый эпитет «удивительное» гарантировал ему приятное право в случае чего поворчать вместе со всеми скептиками по поводу философской неблагонадежности вероятностного понимания микромира. Однако существенно было, что работоспособность новой механики признавалась им теперь не молча, а вслух и с деловыми последствиями. Вполне деловыми.
А суть новых возможностей эксперимента хорошо и точно отражалась в появившемся тогда термине - «обратный туннельный эффект». Буквально - обратный: речь шла уже не об испускании альфа-частицы, а об ее проникновении снаружи в атомное ядро.
Ясно было, что и на этом пути перед нею вырастает гора потенциального барьера. Не какого-нибудь нового, а уже знакомого нам энергетического барьера, но только обращенного к ней теперь своим внешним склоном. В самом деле: несущая двойной положительный заряд, она не может ворваться в ядро, не преодолев сначала мощных сил отталкиванья положительного заряда этого ядра. Они-то и создают внешний склон барьера, да и вообще повинны в его существовании, ибо как раз против них и должны работать силы внутриядерного притяжения. И будь альфа-частицы классическими корпускулами, им для успеха вторжения… Стоит ли повторять все сначала? Довольно конца. Они микрокентавры, частицы-волны, и для успеха вторжения в ядро им не надо обладать энергией, обязательно превышающей высоту барьера. Они и снаружи способны просачиваться через него так же, как изнутри.
Короче: альфа-частицы способны на обратный туннельный эффект точно так же, как и на прямой. Последствия очевидны: скажем, для вторжения в ядро урана, окруженное барьером в 10 миллионов электрон-вольт, альфа-частице вовсе не нужно двигаться с такой энергией. Достаточно и меньшей.
Правда, чем меньше она, эта энергия движения, тем меньше вероятность успеха. Однако хоть и с меньшей вероятностью, но вторжение медленных частиц все-таки происходить будет…