Резерфорд

В этом легко убедиться. Он писал так:

Разложение одной молекулы, или образование одного положительного и одного отрицательного ионов, всегда сопровождается выходом из игры в точности одной силовой трубки из всего их множества, формирующего поток рентгеновых лучей.

Сегодня физик сказал бы: происходит ионизация молекулы за счет энергии рентгеновского кванта или фотона.

«Интенсивность лучей Рентгена пропорциональна числу силовых трубок Фарадея… — так может быть выражен результат, полученный м-ром Резерфордом», — написал в заключительной фразе Дж. Дж.

Словом, когда близятся революционные бури, их провозвестники появляются задолго до решающего дня, но удостаиваются внимания «после бала». Эта статья и это послесловие увидели свет в апреле 1897 года — в дни, ставшие для физики историческими по другой причине.

Всю ту зиму — свою вторую кембриджскую зиму — Резерфорд работал самостоятельно. Он и Томсон разрабатывали разные темы. Но предмет исследований у обоих оставался одним и тем же: носители зарядов в газах — ионы!

Слово это действительно было уже старым — старше не только Резерфорда, но и Дж. Дж. Оно было рождено еще в 30-х годах XIX века живой предметностью фарадеевского воображения: «странниками» (ионами) Фарадей окрестил переносчиков электричества в гальванических элементах. Был этот термин поначалу только художественным образом, как большинство научных терминов. Ионы странствовали в проводящих жидкостях и перетаскивали заряды к электродам. Мысль кавендишевцев, что для газов природа не позаботилась придумать что-нибудь новенькое, была не бедной, а глубоко содержательной: за нею стояла все та же убежденность в единстве природы, какую исповедовал Фарадей.

Резерфорд с его стремлением наглядно представлять себе происходящее мысленно общался с этими невидимыми ионами-странниками, как с крошечными, но вполне реальными существами. Он молча беседовал с ними, обсуждая варианты их поведения, как маорийцы беседовали с ветрами и рыбами в океане. А. С. Ив вспоминал, как Резерфорд однажды сказал ему: «Ионы — это веселые малыши, вы можете наблюдать их едва ли не воочию».

Той зимой он изучал способность ионов воссоединяться в нейтральные молекулы или рекомбинироваться, как повелось с тех пор говорить в физике. А Томсон занимался не столько поведением ионов, сколько ими самими: их малостью — массой, их веселостью — зарядом. Короче: он исследовал величину отношения заряда ионов к их массе. И эти-то поиски привели его в апреле 1897 года к историческому открытию. То был его звездный час.

Если бы в событиях, происходивших тогда на первом этаже Кавендиша, молодой Резерфорд принимал прямое участие, здесь следовало бы все описать подробно. Но хотя он и сыграл существенную роль в открытии электрона, была она все же только косвенной. А потому нам достаточно лишь в двух словах обрисовать идею экспериментов Дж. Дж. Томсона.

…Заряженные частицы, летящие в пустоте, можно отклонять от прямолинейного пути двумя способами: действием электрического поля и действием поля магнитного. Чем больше заряд и меньше масса частицы, тем заметнее отклонение в обоих случаях. Другими словами, оно всякий раз зависит от отношения массы частицы к ее заряду. Из серий экспериментов с разными ионами, несущими одинаковые заряды, можно узнать, насколько одни обломки молекул массивнее других.

Обломки молекул… Следовало ожидать, что они будут соизмеримы с атомами. Самый легкий из них — атом водорода. Таков же и самый легкий из положительных ионов. Но в опытах с частицами, заряженными отрицательно, обнаружилось нечто неожиданное. Настолько неожиданное, что смущенный Томсон стал на разные лады проверять отношение массы этих частиц к их заряду. Когда-то в молодости изучавший катодные лучи, он теперь снова к ним обратился. Рассматривая их как поток отрицательно заряженных телец, он захотел узнать, а каково там отношение массы к заряду. Он вспомнил и об отрицательно заряженных тельцах, испускаемых горячими металлами. Словом, он повел исследование разными методами в разных направлениях и был сполна вознагражден необычайностью открывшегося.

Всякий раз он убеждался, что частицы, несущие отрицательный заряд, по меньшей мере в 1000 раз легче легчайшего атома. Впоследствии, уже в XX веке, было установлено, что масса электрона примерно в 1837 раз меньше массы водородного ядра — протона. Дж. Дж. Томсон прекрасно сознавал, что его измерения недостаточно точны. Он мог поручиться только за порядок полученных величин — 10, 100, 1000… Но для начала этого было довольно. Этого было довольно, чтобы изумиться. Изумиться и понять, что в природе есть материальные сущности столь малые, что атомы по сравнению с ними гиганты.

Дабы отличить их от обычных ионов, Дж. Дж. назвал этих крошечных носителей отрицательного электричества «корпускулами». Уже существовавшее для обозначения единичного заряда слово «электрон» заменило «корпускулу» чуть позднее.

Драма идей в науке вечно нова и вместе с тем поразительно однообразна. Результат исследований Томсона был оценен по достоинству вовсе не сразу. И не сразу было понято, что произошло первое открытие элементарной частицы материи. В «Воспоминаниях и размышлениях» Томсона есть интересное признание:

Я сделал первое сообщение о существовании этих корпускул на вечернем заседании Королевского института в очередную пятницу 30 апреля 1897 года… Много времени спустя один выдающийся физик, присутствовавший на моем докладе в Королевском институте, рассказал мне, что подумал тогда, будто я всем им нарочно морочу голову.[2] Я не был этим удивлен, ибо и сам пришел к такому объяснению своих экспериментов с большой неохотой; и лишь убедившись, что от данных опыта никуда не скрыться, я объявил о моей вере в существование тел меньших, чем атомы.

Так вот что показалось вначале неправдоподобным и Томсону и многим его современникам: существование тел меньших, чем атомы! Трудно было бы выразиться яснее и проще. В такой ничем не осложненной форме смысл сомнений был доступен любому воображению. И любое воображение поражал. Дисциплинированное воображение физиков еще больше, чем простых смертных. Они-то, физики, точно знали, как неточно их знание самой атомной структуры вещества. А теперь им предлагалось поверить в реальность нового, субатомного мира..! Может быть, всего замечательней, что среди упорно неверующих был тот, с кого началась эта «третья беда»: Вильгельм Конрад Рентген. (До 1907 года — в течение десяти лет — он не признавал существования электрона.)

А молодой Эрнст Резерфорд? А другие кавендишевцы? Перед ними такой дилеммы — верить или не верить — вообще не возникало. В конце концов каждый из них вложил свою лепту в историческое открытие Дж. Дж. Еще начинающие исследователи, все они были тогда уже крупнейшими в мире специалистами «по ионам в газах». А каждый шаг вперед требовал детального знания повадок и обычаев «веселых малышей». Оттого-то в биографии Томсона Рэлей-младший так писал об открытии электрона:

«Оно было проведено самим Дж. Дж. Томсоном на базе… работы Резерфорда по изучению скорости ионов».

Нам достаточно этого признания. Подробности не существенны — они не были принципиальны.

Итак, годы 1895-й, 1896-й, 1897-й…

Рентгеновы лучи; радиоактивность; электрон…

XIX век кончался в атмосфере многообещающих научных новостей. В этой атмосфере окреп и созрел исследовательский дар молодого новозеландца, сумевшего так счастливо очутиться в самом центре революционных событий.

Не стоит утверждать, будто он отчетливо сознавал, какая глубокая революция зреет в физике. Да и кто в ту пору отчетливо сознавал это?! Десятки раз уже цитировались беззаботные слова старого лорда Кельвина о чистом небе над головою физиков и его пророческое добавление, что горизонт омрачают лишь два облачка: загадочность опыта Майкельсона и неразрешенность проблемы единого закона теплового излучения. С годами первое облачко принесло очистительную грозу теории относительности, а второе разразилось бурей теории квантов. О третьем облачке — нерасшифрованности атома — не было и речи. Лорд Кельвин его не заметил, потому что это облачко только-только собиралось. У самой проблемы не было еще ясных очертаний.

2

По-английски это звучит еще выразительней: pulling theiг lags — «дергаю их за ноги».