Страница:
Модель де Бройля объяснила наличие разрешенных орбит Бора. Если считать электрон частицей, то, чтобы он оставался на своей орбите, у него должны быть одна и та же скорость или импульс на любом расстоянии от ядра. Если же считать электрон волной, то, чтобы он вписался в орбиту заданного радиуса, надо, чтобы длина окружности этой орбиты была равна целому числу длины его волны. Иными словами, окружность орбиты электрона может равняться только одной, двум, трем (и т. д.) длинам его волн.
– Да уж, намудрили эти принц датский с французским маркизом, намудрили, – осуждающе бормотал изобретатель, задумчиво рассматривая схему планетарной модели многоорбитального атома, переданную ему журналистом. Отложив чертеж, он на какое-то время погрузился в собственные размышления, а затем задумчиво произнес:
– С другой стороны, согласно современной теории, электрическая природа электрона, определяемая как его заряд, теми же теоретиками рассматривается как характерная особенность той энергии, что концентрируется вокруг точки под названием «электрон». В этом смысле элементарный электрический заряд предстает перед нами некоей частично локальной сущностью, привносящей свою долю энергии в атомарные образования, – посмотрев на изумленного журналиста, изобретатель с улыбкой добавил: – Впрочем, я думаю, что эти мои измышления еще долго никого не заинтересуют, давайте лучше вернемся к вашему обзору…
Журналист растерянно взглянул на изобретателя и, немного запинаясь, продолжил:
– На протяжении всей второй половины XIX века физики активно изучали феномен катодных лучей. Простейший аппарат, с помощью которого за ними наблюдали, представлял собой герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом. В нее с двух сторон было впаяно по электроду: катод, подключавшийся к отрицательному полюсу электрической батареи, и анод, подключавшийся к положительному полюсу. При подаче на электроды высокого напряжения разреженный газ в трубке начинал светиться. Это свечение ученые и приписали катодным лучам. Дискуссия об их природе сразу же приняла острый полемический характер. Большинство видных ученых придерживалось мнения, что катодные лучи представляют собой, подобно свету, волновые возмущения невидимого эфира. Другие же придерживались мнения, что они состоят из ионизированных молекул или атомов самого газа.
Осознавая, что сейчас он, похоже, весьма «удачно» наступил своему собеседнику на другую больную мозоль, журналист обреченно ждал разгромной критики, ведь, обсуждая статьи ученых по атомной физике и порицая современные теории, изобретатель называл их по меньшей мере несостоятельными, а содержащиеся в них утверждения – необоснованными. Особенно категоричен он был в вопросе об экспериментах, где отмечалось выделение атомами энергии. «Атомная энергия – это иллюзия», – часто говорил изобретатель. Он подготовил для печати несколько заявлений о том, что токами с напряжением в несколько миллионов вольт неоднократно расщеплял бесчисленные миллиарды атомов и знает, что никакая энергия при этом не выделялась. Как-то раз изобретатель довольно сурово потребовал от журналиста отчета за то, что он не опубликовал его заявления, на что тот попробовал возразить:
– Я не сделал этого, чтобы не портить вам репутацию. Вы придаете слишком большое значение последовательности, но нет никакой необходимости хранить верность тем теориям, которым вы следовали в юности. Я уверен, что в глубине души вы поддерживаете новые гипотезы, соответствующие научным достижениям в других областях, но, поскольку вы не согласны с некоторыми современными теориями и критикуете их, то считаете, что должны быть последовательным и осуждать гипотезы все без исключения. Я убежден, что во время разработки прибора для получения «луча смерти» ваши рассуждения соответствовали современной теории строения атома и природы материи и энергии.
В ответ на это заявление изобретатель совершенно недвусмысленно объяснил журналисту, что имеет очень четкую позицию относительно тех, кто пытается думать за него. Разговор между ними состоялся примерно в 1935 году, и потом Джон много месяцев не имел от него известий. Но уже при следующей встрече он заметил, что позиция изобретателя значительно смягчилась и в своих последних комментариях он стал гораздо менее категоричен в отношении современных теорий. А несколько позже изобретатель неожиданно заявил, что и сам планирует создать аппарат для точной проверки современной теории строения атома. При этом он как бы между прочим обронил замечание, что его новая энергосистема и энергетический луч будут гораздо эффективнее высвобождать атомную энергию, чем любое из используемых физиками устройств.
– У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Наконец в 1897 году молодой английский физик Джозеф Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда, а заодно прославился в веках как первооткрыватель первой элементарной частицы – электрона. Используя трубку новой конструкции, Томсон выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости, с которой движутся частицы. Проведя ряд измерений, ученый смог определить скорость движения катодных лучей, которая оказалась значительно меньше скорости света, из чего следовало, что катодные лучи могут быть только частицами. Эти неизвестные частицы Томсон назвал «корпускулами», но вскоре они стали называться «электронами». Сразу же стало ясно, что они обязаны существовать в составе атомов – иначе откуда бы они взялись? 30 апреля 1897 года – дата доклада Томсоном о полученных им результатах на заседании Лондонского королевского общества – считается днем рождения электрона. И в этот день отошло в прошлое представление о «неделимости» атомов. Вместе с последовавшим через десять с небольшим лет открытием атомного ядра открытие электрона заложило основу современной модели атома.
– Ну что же вы, Джон, продолжайте, – иронично поглядывая на литератора из-под густых темных бровей, поторопил изобретатель.
Вздохнув, О’Нил вернулся к своему обзору:
– В 20-е годы, после введения первичных квантовых принципов, субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частиц – протоны и нейтроны – составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц – электроны – существовал за его пределами, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, все многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.
Увы, столь простой картине мира суждено было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету, и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.
Мир античастиц – своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица, «позитрон» (производное от «позитивный электрон») – положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона – отрицательный. И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляция – обе прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.
Все следующие за позитроном античастицы были опытным путем обнаружены уже в лабораторных условиях – на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих опытов, и античастицы давно не считаются чем-то из ряда вон выходящим. В начале XX столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц – нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующей стадии детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать все новые и новые элементарные частицы. Труднее всего было разобраться с многочисленными адронами – тяжелыми частицами, родственными нейтрону и протону, которые, как выяснилось, во множестве рождаются и тут же распадаются в ходе различных ядерных процессов.
– Видите ли, Джон, – изобретатель задумчиво перебирал листики с записями на своем рабочем столе, – я давно уже готов наконец присоединиться к тому мнению, что человек будет расщеплять, преобразовывать, создавать и разрушать атомы, манипулируя огромными количествами энергии. Его власть над атомами и энергией когда-нибудь обязательно приобретет космический размах, и человек получит возможность преображать окружающий мир в полном соответствии со своими желаниями. Однако, дорогой Джон, мне постоянно не дает покоя чувство, что страшный атомный джинн уже выпущен на волю, – склонив голову, изобретатель тихо пробормотал: И зачем я передал эти документы… – видя невысказанный вопрос в глазах журналиста, он решительно махнул рукой. – Даже не спрашивайте, Джон, об этом еще рано говорить. Давайте лучше обратимся к вашему обзору. Как там у вас сказано? – иссохшей рукой, покрытой желтоватой кожей с коричневыми пергаментными пятнами, изобретатель решительно взял листки рукописи журналиста:
– Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении всех элементарных частиц. Их наиболее важное квантовое свойство – способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.
Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля, которое (в квантовой физике – фотон) либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.
На протяжении последних веков ученые, интересующиеся строением Вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, – самые простые и неделимые составляющие материального мира. Атомная теория раскрыла причину всего многообразия химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов и через различные их сочетания объяснив природу всех остальных веществ. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.
Увидев, что голова изобретателя, с трудом прочитавшего последнюю фразу, в старческой дреме обессилено склонилась к подушке кресла, известный научный обозреватель нью-йоркской прессы Джон О’Нил очень осторожно собрал листки своей рукописи в объемный портфель и, сняв ботинки, на цыпочках вышел из номера отеля, тихонько прикрыв мягко лязгнувший английский замок. Надев обувь, он со вздохом взглянул на дверь, за которой остался его кумир – выдающийся ученый Никола Тесла, и направился к гостиничному лифту…
Оставим здесь, читатель, гениального изобретателя, так и ушедшего в мир иной с твердым убеждением, что атомы материи формирует всепроникающая среда «мирового электрического эфира». Последуем за О’Нилом в его тесный редакционный кабинет, заваленный бумагами и гранками еще не вышедшего обширного научно-популярного обзора «Прометей электричества», и попробуем взглянуть на начало «атомного века» с еще одной точки зрения – выдающегося британского теоретика Оливера Хевисайда…
Эта следующая экскурсия в середину 20-х годов прошлого века необходима и для того, чтобы понять последующую логику нашего рассказа о крайне запутанных событиях, сопровождавших становление атомной науки и породивших столько тайн, загадок и открытий.
Глава 2
Среди своих знаменитых сограждан местные жители, конечно же, назовут вам Агату Мэри Клариссу Маллоуэн, урожденную Миллер, известную во всем мире по фамилии своего первого мужа как Агата Кристи. Однако мало кто знает, что в первой четверти прошедшего столетия здесь закончил свой жизненный путь один из самых блестящих британских, да и, можно сказать, мировых мыслителей, во многом, как и его друзья Никола Тесла и Джордж Фрэнсис Фицджеральд, опередивший свое время. Это был Оливер Хевисайд (1850–1925) – крупнейший математик и физик-теоретик конца позапрошлого и начала прошлого века.
Теплое дыхание Гольфстрима делает морские местечки южной Англии практически круглогодичными курортами, в которых зимние температуры редко опускаются ниже пяти-семи градусов Цельсия. Тем не менее изнеженные мягким климатом местные жители рано начинают отопительный сезон, вовсю пользуясь газом и углем. Может быть, поэтому отключение газовой компанией отопления за долги человеку, страдающему, как и великий французский математик Фурье, редкой формой аномальной чувствительности к низким температурам, было для него настоящей жизненной трагедией.
В большом доме, называемом Хоумфилд, с восхитительным видом на залив Канала под новый 1925 год под грудой старого тряпья замерзал голодный, глухой старик. Газовое отопление давным-давно было отключено за долги, денег на уголь не стало еще раньше, а сейчас иссохшее тело покидали последнее силы, которых не хватало даже на то, чтобы разбить на дрова какую-нибудь мебель. Дом был давно заложен и перезаложен, нищенской пенсии хватало только на жизнь впроголодь, а книги, автором которых был хозяин дома, не продавались. Чтобы хоть как-то согреться, старик укрылся большим ворохом всяческих одеял, покрывал и пальто, но предательская дрожь, как и застарелый ревматизм, не отпускали скрюченное тело. В эти последние дни бренного существования его разум продолжал бороться, оставаясь ясным и острым аналитическим инструментом анализа окружающей действительности. Когда немного утихала зябкая дрожь и подагра отступала, из груды тряпья появлялась иссохшая старческая рука, обтянутая пергаментной кожей, и начинала на ощупь перебирать кипу бумаг на странном сооружении у изголовья. Несколько кирпичей поддерживали осколок мраморной плиты от туалетного столика. Впрочем, в комнате подобные конструкции встречались часто, ведь все, что могло гореть, сгорело, поддерживая в старике последнюю искру жизни.
Выбрав из пачки писем листок, рука подносила его к изголовью, и из-под покрывал появлялась растрепанная седая шевелюра. Поднеся страницу к самым выцветшим глазам, старик начинал читать, беззвучно перебирая синеватыми тонкими губами. Письмо было давнее, от безвременно ушедшего друга и единомышленника Германа Герца.
Календарные даты редко совпадают с реальными историческими событиями, поэтому и начало «атомного» XX века историки науки связывают с самыми разными открытиями, преимущественно произошедшими в XIX столетии – «веке пара и электричества». В чем-то исследователи становления атомной науки, безусловно, правы, и первые проблески будущей теории элементарных частиц и сил можно найти еще у гениального Максвелла в его «Трактате об электричестве и магнетизме»[7]. Именно там впервые появились два десятка уравнений с 12 переменными, которые впоследствии Оливер Хевисайд свел к четырем с векторами электрического и магнитного полей. Независимо от него это проделал и выдающийся немецкий физик Герман Рудольф Герц.
В течение ряда лет уравнения электродинамики в новой форме назывались уравнениями Герца – Хевисайда, однако позже А. Эйнштейн по каким-то своим соображениям переименовал их в своих работах в уравнения Максвелла – Герца. Сегодня они присутствуют во всех школьных учебниках просто как «уравнения Максвелла», что, конечно же, не совсем справедливо по отношению к Хевисайду и Герцу. Итак, именно на системе этих поистине великих уравнений Максвелла – Хевисайда – Герца и построен весь мир окружающих нас электромагнитных явлений, на основе которых работает вся электротехника: от динамо-машин переменного тока до телефона и беспроводного телеграфа, включая и самосветящиеся газовые лампы Теслы.
…Некоторое время старик внимательно вглядывался в выцветшие чернильные строчки и ряды формул. Казалось, далекие воспоминания о выигранной интеллектуальной гонке чем-то подбодрили его и даже немного согрели стынущую в жилах кровь. Поправив гору подушек, он откинулся на них и разразился приступом хриплого кашля. Вытерев бисеринки выступившего пота, старик кряхтя дотянулся до стоявшего у изголовья странного сооружения из покрытых старыми газетами нескольких кирпичей, которое заменяло ему изрубленные на дрова журнальный столик и тумбочки. Зажав в ослабевших руках большую кружку с холодным чаем, еще третьего дня заваренным в помятом медном чайнике, который старик вскипятил на щепках от разбитого ящика, он сделал несколько жадных глотков и опять откинулся на подушки. Все же в сотый раз прочитанное изменило настроение старика и, поджав в неком подобии саркастической улыбки бескровные губы, он порывистым движением достал еще одно письмо, на этот раз пришедшее из-за океана от великого изобретателя… Бережно разгладив листок, испещренный какими-то схемами и чертежами, старик начал внимательно вглядываться слезящимися глазами в дрожащие строчки, одновременно вспоминая такие яркие события из мира науки… канувшие в Лету.
Конец XIX века ознаменовался для исследователей, вооруженных теорией электромагнетизма Максвелла, горячим интересом к процессам прохождения электричества через газы. Большое значение тут имело лекционное турне Теслы по Европе. В ходе этого первого выхода в свет на заседаниях ведущих физических обществ, в том числе Британского королевского, изобретатель демонстрировал самые различные конструкции вакуумированных и газонаполненных баллонов с электродами. Его прообразы последующих «электронных ламп» намного опередили свое время, хотя еще Фарадей серьезно изучал подобные явления. Так, выдающийся экспериментатор сумел выделить самые разнообразные формы разряда, открыв при этом «фарадеево темное пространство», отделяющее синеватое, катодное свечение от розоватого, анодного. Природа катодного свечения очень занимала Фарадея, но он был вынужден ограничиться самыми общими рассуждениями «о яростном столкновении мельчайших частичек материи, возможно, связанных с неделимыми атомами в древнегреческой традиции деления вещества».
Дальнейшие опыты с высокоразреженными газами показали, что давление внутри колб существенно влияет на характер свечения. Этому предшествовали исследования немецкого экспериментатора Генриха Гейсслера, который сумел получить довольно высоковакуумированные колбы, названные «гейслеровыми трубками». Немецкий физик Юлиус Плюккер, экспериментируя с такими трубками, снабженными электродами, заметил, что при определенном напряжении вокруг катода возникает некое зеленоватое свечение. Плюккер также выяснил, что если к колбе поднести достаточно сильный магнит, то свечение начинает отталкиваться от одного полюса, соответственно притягиваясь к другому. Все это прямо указывало на электрическую природу явления. Вскоре стало очевидным, что нечто связанное со свечением перемещается в пространстве между анодом и катодом. Этим феноменом занялись ученик Плюккера, немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Гитторф, и английский физик Уильям Крукс, независимо друг от друга продемонстрировавшие, что при помещении в гейсслерову трубку некого предмета на стекле тут же появляется его тень. В 1876 году в обиход физиков вошел термин «катодные лучи», упомянутый в публикациях германского ученого Эугена Гольдштейна, посвятившего долгие годы тщательному изучению этого таинственного явления.
Через три года Крукс подтвердил материальную природу катодных лучей, посчитав их некой разновидностью «лучистой материи» как вещества, находящегося в особом, четвертом состоянии. Для подтверждения он на основе гейсслеровых трубок создал специальный электровакуумный прибор, названный «трубкой Крукса» и представляющий собой герметичную колбу, заполненную разреженным газом. С двух сторон в трубку Крукса было впаяно по электроду: с одной стороны – катод, подключавшийся к отрицательному полюсу электрической батареи, а с другой – анод, подключавшийся к положительному полюсу. При подаче на электроды высокого напряжения разреженный газ в трубке начинал светиться под воздействием катодных лучей.
Между тем эксперименты по электрическому воздействию на катодные лучи выглядели совсем неубедительно, так что даже такой блестящий экспериментатор, как Герц, не выявил их отклонения, придя к выводу, что катодное излучение представляет собой некий «эфирный колебательный процесс». В начале 90-х годов ассистент Герца Филлип Эдуард Антон фон Ленард, продолжая серию экспериментов своего учителя, наглядно продемонстрировал, что катодные лучи могут легко преодолевать тонкие экраны из металлической фольги. Сам Герц посвятил этому необычному явлению свою последнюю публикацию 1892 года. Лейтмотивом этой замечательной во всех отношениях работы служили слова: «Катодные лучи отличаются от света существенным образом в отношении способности проникать через твердые тела»[8]. Рассматривая далее результаты проникновения катодного излучения через платиновые, золотые, серебряные и алюминиевые экраны, Герц отмечал, что единую природу явления подтверждает одно и то же дифракционное рассеивание катодных лучей.
– Да уж, намудрили эти принц датский с французским маркизом, намудрили, – осуждающе бормотал изобретатель, задумчиво рассматривая схему планетарной модели многоорбитального атома, переданную ему журналистом. Отложив чертеж, он на какое-то время погрузился в собственные размышления, а затем задумчиво произнес:
– С другой стороны, согласно современной теории, электрическая природа электрона, определяемая как его заряд, теми же теоретиками рассматривается как характерная особенность той энергии, что концентрируется вокруг точки под названием «электрон». В этом смысле элементарный электрический заряд предстает перед нами некоей частично локальной сущностью, привносящей свою долю энергии в атомарные образования, – посмотрев на изумленного журналиста, изобретатель с улыбкой добавил: – Впрочем, я думаю, что эти мои измышления еще долго никого не заинтересуют, давайте лучше вернемся к вашему обзору…
Журналист растерянно взглянул на изобретателя и, немного запинаясь, продолжил:
– На протяжении всей второй половины XIX века физики активно изучали феномен катодных лучей. Простейший аппарат, с помощью которого за ними наблюдали, представлял собой герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом. В нее с двух сторон было впаяно по электроду: катод, подключавшийся к отрицательному полюсу электрической батареи, и анод, подключавшийся к положительному полюсу. При подаче на электроды высокого напряжения разреженный газ в трубке начинал светиться. Это свечение ученые и приписали катодным лучам. Дискуссия об их природе сразу же приняла острый полемический характер. Большинство видных ученых придерживалось мнения, что катодные лучи представляют собой, подобно свету, волновые возмущения невидимого эфира. Другие же придерживались мнения, что они состоят из ионизированных молекул или атомов самого газа.
Осознавая, что сейчас он, похоже, весьма «удачно» наступил своему собеседнику на другую больную мозоль, журналист обреченно ждал разгромной критики, ведь, обсуждая статьи ученых по атомной физике и порицая современные теории, изобретатель называл их по меньшей мере несостоятельными, а содержащиеся в них утверждения – необоснованными. Особенно категоричен он был в вопросе об экспериментах, где отмечалось выделение атомами энергии. «Атомная энергия – это иллюзия», – часто говорил изобретатель. Он подготовил для печати несколько заявлений о том, что токами с напряжением в несколько миллионов вольт неоднократно расщеплял бесчисленные миллиарды атомов и знает, что никакая энергия при этом не выделялась. Как-то раз изобретатель довольно сурово потребовал от журналиста отчета за то, что он не опубликовал его заявления, на что тот попробовал возразить:
– Я не сделал этого, чтобы не портить вам репутацию. Вы придаете слишком большое значение последовательности, но нет никакой необходимости хранить верность тем теориям, которым вы следовали в юности. Я уверен, что в глубине души вы поддерживаете новые гипотезы, соответствующие научным достижениям в других областях, но, поскольку вы не согласны с некоторыми современными теориями и критикуете их, то считаете, что должны быть последовательным и осуждать гипотезы все без исключения. Я убежден, что во время разработки прибора для получения «луча смерти» ваши рассуждения соответствовали современной теории строения атома и природы материи и энергии.
В ответ на это заявление изобретатель совершенно недвусмысленно объяснил журналисту, что имеет очень четкую позицию относительно тех, кто пытается думать за него. Разговор между ними состоялся примерно в 1935 году, и потом Джон много месяцев не имел от него известий. Но уже при следующей встрече он заметил, что позиция изобретателя значительно смягчилась и в своих последних комментариях он стал гораздо менее категоричен в отношении современных теорий. А несколько позже изобретатель неожиданно заявил, что и сам планирует создать аппарат для точной проверки современной теории строения атома. При этом он как бы между прочим обронил замечание, что его новая энергосистема и энергетический луч будут гораздо эффективнее высвобождать атомную энергию, чем любое из используемых физиками устройств.
Может быть, для науки является счастливым обстоятельством то, что Фарадей не был собственно математиком, хотя он был в совершенстве знаком с понятиями пространства, времени и силы. Поэтому он не пытался углубляться в интересные, но чисто математические исследования, которых требовали его открытия. Он был далек от того, чтобы облечь свои результаты в математические формулы, либо в те, которые одобрялись современными ему математиками, либо в те, которые могли бы дать начало новым начинаниям. Благодаря этому он получил досуг, необходимый для работы, соответствующей его духовному направлению, смог согласовать идеи с открытыми им фактами и создать если не технический, то естественный язык для выражения своих результатов.– О чем вы задумались, Джон? Прошу вас, продолжайте, – прервал голос из кресла воспоминания журналиста. Тот поспешно зашуршал листками и, найдя нужный абзац, прочитал:
Д. Максвелл. «Трактат об электричестве и магнетизме»
– У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Наконец в 1897 году молодой английский физик Джозеф Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда, а заодно прославился в веках как первооткрыватель первой элементарной частицы – электрона. Используя трубку новой конструкции, Томсон выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости, с которой движутся частицы. Проведя ряд измерений, ученый смог определить скорость движения катодных лучей, которая оказалась значительно меньше скорости света, из чего следовало, что катодные лучи могут быть только частицами. Эти неизвестные частицы Томсон назвал «корпускулами», но вскоре они стали называться «электронами». Сразу же стало ясно, что они обязаны существовать в составе атомов – иначе откуда бы они взялись? 30 апреля 1897 года – дата доклада Томсоном о полученных им результатах на заседании Лондонского королевского общества – считается днем рождения электрона. И в этот день отошло в прошлое представление о «неделимости» атомов. Вместе с последовавшим через десять с небольшим лет открытием атомного ядра открытие электрона заложило основу современной модели атома.
– Ну что же вы, Джон, продолжайте, – иронично поглядывая на литератора из-под густых темных бровей, поторопил изобретатель.
Вздохнув, О’Нил вернулся к своему обзору:
– В 20-е годы, после введения первичных квантовых принципов, субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частиц – протоны и нейтроны – составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц – электроны – существовал за его пределами, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, все многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.
Увы, столь простой картине мира суждено было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету, и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.
Мир античастиц – своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица, «позитрон» (производное от «позитивный электрон») – положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона – отрицательный. И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляция – обе прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.
Все следующие за позитроном античастицы были опытным путем обнаружены уже в лабораторных условиях – на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих опытов, и античастицы давно не считаются чем-то из ряда вон выходящим. В начале XX столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц – нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующей стадии детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать все новые и новые элементарные частицы. Труднее всего было разобраться с многочисленными адронами – тяжелыми частицами, родственными нейтрону и протону, которые, как выяснилось, во множестве рождаются и тут же распадаются в ходе различных ядерных процессов.
– Видите ли, Джон, – изобретатель задумчиво перебирал листики с записями на своем рабочем столе, – я давно уже готов наконец присоединиться к тому мнению, что человек будет расщеплять, преобразовывать, создавать и разрушать атомы, манипулируя огромными количествами энергии. Его власть над атомами и энергией когда-нибудь обязательно приобретет космический размах, и человек получит возможность преображать окружающий мир в полном соответствии со своими желаниями. Однако, дорогой Джон, мне постоянно не дает покоя чувство, что страшный атомный джинн уже выпущен на волю, – склонив голову, изобретатель тихо пробормотал: И зачем я передал эти документы… – видя невысказанный вопрос в глазах журналиста, он решительно махнул рукой. – Даже не спрашивайте, Джон, об этом еще рано говорить. Давайте лучше обратимся к вашему обзору. Как там у вас сказано? – иссохшей рукой, покрытой желтоватой кожей с коричневыми пергаментными пятнами, изобретатель решительно взял листки рукописи журналиста:
– Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении всех элементарных частиц. Их наиболее важное квантовое свойство – способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.
Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля, которое (в квантовой физике – фотон) либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.
На протяжении последних веков ученые, интересующиеся строением Вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, – самые простые и неделимые составляющие материального мира. Атомная теория раскрыла причину всего многообразия химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов и через различные их сочетания объяснив природу всех остальных веществ. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.
Увидев, что голова изобретателя, с трудом прочитавшего последнюю фразу, в старческой дреме обессилено склонилась к подушке кресла, известный научный обозреватель нью-йоркской прессы Джон О’Нил очень осторожно собрал листки своей рукописи в объемный портфель и, сняв ботинки, на цыпочках вышел из номера отеля, тихонько прикрыв мягко лязгнувший английский замок. Надев обувь, он со вздохом взглянул на дверь, за которой остался его кумир – выдающийся ученый Никола Тесла, и направился к гостиничному лифту…
Оставим здесь, читатель, гениального изобретателя, так и ушедшего в мир иной с твердым убеждением, что атомы материи формирует всепроникающая среда «мирового электрического эфира». Последуем за О’Нилом в его тесный редакционный кабинет, заваленный бумагами и гранками еще не вышедшего обширного научно-популярного обзора «Прометей электричества», и попробуем взглянуть на начало «атомного века» с еще одной точки зрения – выдающегося британского теоретика Оливера Хевисайда…
Эта следующая экскурсия в середину 20-х годов прошлого века необходима и для того, чтобы понять последующую логику нашего рассказа о крайне запутанных событиях, сопровождавших становление атомной науки и породивших столько тайн, загадок и открытий.
Глава 2
Атом Хевисайда
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наше жилище и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света;
Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах,
В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя,
Или сходясь, или врозь беспрерывно опять разлетаясь.
Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно
Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся.
Тит Лукреций Кар. О природе вещей
Он родился в одной из лондонских трущоб, у него не было университетского образованиями, за исключением шести лет работы в телеграфной компании, он был безработным. Однако благодаря своему таланту и целеустремленности Оливер Хевисайд стал одним из ведущих физиков Викторианской эпохи. Он развил теорию электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла, открыл принцип передачи сигналов на дальние расстояния, что позволило осуществить дальнюю телефонную связь, высказал идеи, предвосхитившие телевидение, радиосвязь и некоторые аспекты теории относительности Эйнштейна.Торки, или Торквей, или Торкей, благодаря Гольфстриму является одним из самых теплых морских курортов на юго-западном побережье Англии в графстве Девон. Сегодня это протянувшийся вдоль всего берега залива Торбей (пролива Ла-Манш) современный город, который практически сросся с соседним городком Пэйнгтон, во многом, правда, подрастеряв свою былую привлекательность из-за суеты и многолюдья. Между тем в XIX и в первой половине XX века это было модное место отдыха, заслужившее за свой климат прозвище Английской Ривьеры. Здесь на нескольких десятках километров морского берега можно встретить сосны, кипарисы и даже пальмы, окружающие живописные деревни, зеленые поля, крутые холмы и множество красивейших бухт. Сам город Торки построен на семи холмах, с которых открываются грандиозные панорамные виды на главную бухту Канала, как называют Ла-Манш англичане, всегда заполненную лодками и парусами яхт.
П. Нахин. Оливер Хевисайд
Среди своих знаменитых сограждан местные жители, конечно же, назовут вам Агату Мэри Клариссу Маллоуэн, урожденную Миллер, известную во всем мире по фамилии своего первого мужа как Агата Кристи. Однако мало кто знает, что в первой четверти прошедшего столетия здесь закончил свой жизненный путь один из самых блестящих британских, да и, можно сказать, мировых мыслителей, во многом, как и его друзья Никола Тесла и Джордж Фрэнсис Фицджеральд, опередивший свое время. Это был Оливер Хевисайд (1850–1925) – крупнейший математик и физик-теоретик конца позапрошлого и начала прошлого века.
Теплое дыхание Гольфстрима делает морские местечки южной Англии практически круглогодичными курортами, в которых зимние температуры редко опускаются ниже пяти-семи градусов Цельсия. Тем не менее изнеженные мягким климатом местные жители рано начинают отопительный сезон, вовсю пользуясь газом и углем. Может быть, поэтому отключение газовой компанией отопления за долги человеку, страдающему, как и великий французский математик Фурье, редкой формой аномальной чувствительности к низким температурам, было для него настоящей жизненной трагедией.
В большом доме, называемом Хоумфилд, с восхитительным видом на залив Канала под новый 1925 год под грудой старого тряпья замерзал голодный, глухой старик. Газовое отопление давным-давно было отключено за долги, денег на уголь не стало еще раньше, а сейчас иссохшее тело покидали последнее силы, которых не хватало даже на то, чтобы разбить на дрова какую-нибудь мебель. Дом был давно заложен и перезаложен, нищенской пенсии хватало только на жизнь впроголодь, а книги, автором которых был хозяин дома, не продавались. Чтобы хоть как-то согреться, старик укрылся большим ворохом всяческих одеял, покрывал и пальто, но предательская дрожь, как и застарелый ревматизм, не отпускали скрюченное тело. В эти последние дни бренного существования его разум продолжал бороться, оставаясь ясным и острым аналитическим инструментом анализа окружающей действительности. Когда немного утихала зябкая дрожь и подагра отступала, из груды тряпья появлялась иссохшая старческая рука, обтянутая пергаментной кожей, и начинала на ощупь перебирать кипу бумаг на странном сооружении у изголовья. Несколько кирпичей поддерживали осколок мраморной плиты от туалетного столика. Впрочем, в комнате подобные конструкции встречались часто, ведь все, что могло гореть, сгорело, поддерживая в старике последнюю искру жизни.
Выбрав из пачки писем листок, рука подносила его к изголовью, и из-под покрывал появлялась растрепанная седая шевелюра. Поднеся страницу к самым выцветшим глазам, старик начинал читать, беззвучно перебирая синеватыми тонкими губами. Письмо было давнее, от безвременно ушедшего друга и единомышленника Германа Герца.
Календарные даты редко совпадают с реальными историческими событиями, поэтому и начало «атомного» XX века историки науки связывают с самыми разными открытиями, преимущественно произошедшими в XIX столетии – «веке пара и электричества». В чем-то исследователи становления атомной науки, безусловно, правы, и первые проблески будущей теории элементарных частиц и сил можно найти еще у гениального Максвелла в его «Трактате об электричестве и магнетизме»[7]. Именно там впервые появились два десятка уравнений с 12 переменными, которые впоследствии Оливер Хевисайд свел к четырем с векторами электрического и магнитного полей. Независимо от него это проделал и выдающийся немецкий физик Герман Рудольф Герц.
…Со времен Юнга и Френеля мы знаем, что свет – это волновое движение… Сомневаться в этих фактах больше невозможно; опровергать эти взгляды непостижимо для физика. С точки зрения рода человеческого волновая теория является очевидностью…
Г. Герц. Исследования о распространении электрической силы
В течение ряда лет уравнения электродинамики в новой форме назывались уравнениями Герца – Хевисайда, однако позже А. Эйнштейн по каким-то своим соображениям переименовал их в своих работах в уравнения Максвелла – Герца. Сегодня они присутствуют во всех школьных учебниках просто как «уравнения Максвелла», что, конечно же, не совсем справедливо по отношению к Хевисайду и Герцу. Итак, именно на системе этих поистине великих уравнений Максвелла – Хевисайда – Герца и построен весь мир окружающих нас электромагнитных явлений, на основе которых работает вся электротехника: от динамо-машин переменного тока до телефона и беспроводного телеграфа, включая и самосветящиеся газовые лампы Теслы.
…Некоторое время старик внимательно вглядывался в выцветшие чернильные строчки и ряды формул. Казалось, далекие воспоминания о выигранной интеллектуальной гонке чем-то подбодрили его и даже немного согрели стынущую в жилах кровь. Поправив гору подушек, он откинулся на них и разразился приступом хриплого кашля. Вытерев бисеринки выступившего пота, старик кряхтя дотянулся до стоявшего у изголовья странного сооружения из покрытых старыми газетами нескольких кирпичей, которое заменяло ему изрубленные на дрова журнальный столик и тумбочки. Зажав в ослабевших руках большую кружку с холодным чаем, еще третьего дня заваренным в помятом медном чайнике, который старик вскипятил на щепках от разбитого ящика, он сделал несколько жадных глотков и опять откинулся на подушки. Все же в сотый раз прочитанное изменило настроение старика и, поджав в неком подобии саркастической улыбки бескровные губы, он порывистым движением достал еще одно письмо, на этот раз пришедшее из-за океана от великого изобретателя… Бережно разгладив листок, испещренный какими-то схемами и чертежами, старик начал внимательно вглядываться слезящимися глазами в дрожащие строчки, одновременно вспоминая такие яркие события из мира науки… канувшие в Лету.
Конец XIX века ознаменовался для исследователей, вооруженных теорией электромагнетизма Максвелла, горячим интересом к процессам прохождения электричества через газы. Большое значение тут имело лекционное турне Теслы по Европе. В ходе этого первого выхода в свет на заседаниях ведущих физических обществ, в том числе Британского королевского, изобретатель демонстрировал самые различные конструкции вакуумированных и газонаполненных баллонов с электродами. Его прообразы последующих «электронных ламп» намного опередили свое время, хотя еще Фарадей серьезно изучал подобные явления. Так, выдающийся экспериментатор сумел выделить самые разнообразные формы разряда, открыв при этом «фарадеево темное пространство», отделяющее синеватое, катодное свечение от розоватого, анодного. Природа катодного свечения очень занимала Фарадея, но он был вынужден ограничиться самыми общими рассуждениями «о яростном столкновении мельчайших частичек материи, возможно, связанных с неделимыми атомами в древнегреческой традиции деления вещества».
Дальнейшие опыты с высокоразреженными газами показали, что давление внутри колб существенно влияет на характер свечения. Этому предшествовали исследования немецкого экспериментатора Генриха Гейсслера, который сумел получить довольно высоковакуумированные колбы, названные «гейслеровыми трубками». Немецкий физик Юлиус Плюккер, экспериментируя с такими трубками, снабженными электродами, заметил, что при определенном напряжении вокруг катода возникает некое зеленоватое свечение. Плюккер также выяснил, что если к колбе поднести достаточно сильный магнит, то свечение начинает отталкиваться от одного полюса, соответственно притягиваясь к другому. Все это прямо указывало на электрическую природу явления. Вскоре стало очевидным, что нечто связанное со свечением перемещается в пространстве между анодом и катодом. Этим феноменом занялись ученик Плюккера, немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Гитторф, и английский физик Уильям Крукс, независимо друг от друга продемонстрировавшие, что при помещении в гейсслерову трубку некого предмета на стекле тут же появляется его тень. В 1876 году в обиход физиков вошел термин «катодные лучи», упомянутый в публикациях германского ученого Эугена Гольдштейна, посвятившего долгие годы тщательному изучению этого таинственного явления.
Через три года Крукс подтвердил материальную природу катодных лучей, посчитав их некой разновидностью «лучистой материи» как вещества, находящегося в особом, четвертом состоянии. Для подтверждения он на основе гейсслеровых трубок создал специальный электровакуумный прибор, названный «трубкой Крукса» и представляющий собой герметичную колбу, заполненную разреженным газом. С двух сторон в трубку Крукса было впаяно по электроду: с одной стороны – катод, подключавшийся к отрицательному полюсу электрической батареи, а с другой – анод, подключавшийся к положительному полюсу. При подаче на электроды высокого напряжения разреженный газ в трубке начинал светиться под воздействием катодных лучей.
Между тем эксперименты по электрическому воздействию на катодные лучи выглядели совсем неубедительно, так что даже такой блестящий экспериментатор, как Герц, не выявил их отклонения, придя к выводу, что катодное излучение представляет собой некий «эфирный колебательный процесс». В начале 90-х годов ассистент Герца Филлип Эдуард Антон фон Ленард, продолжая серию экспериментов своего учителя, наглядно продемонстрировал, что катодные лучи могут легко преодолевать тонкие экраны из металлической фольги. Сам Герц посвятил этому необычному явлению свою последнюю публикацию 1892 года. Лейтмотивом этой замечательной во всех отношениях работы служили слова: «Катодные лучи отличаются от света существенным образом в отношении способности проникать через твердые тела»[8]. Рассматривая далее результаты проникновения катодного излучения через платиновые, золотые, серебряные и алюминиевые экраны, Герц отмечал, что единую природу явления подтверждает одно и то же дифракционное рассеивание катодных лучей.