Открытие Джи - Джи

Однажды в лондонском клубе «Атенеум» к Томсону подошел Сандерсон, один из секретарей министерства иностранных дел. Сандерсон заявил, что министерство озабочено проникновением в Англию идей эйнштейновской теории относительности, которые, по мнению руководителей церкви, оказывают вредное влияние на умы верующих.

— Не могли бы вы помочь нам, сэр Джозеф?

— Признаться, я не вижу связи между теорией относительности и религией, — сказал Томсон. — Не могли бы вы, лорд Сандерсон, выразиться яснее?

Чиновник пожал плечами.

— К сожалению, обстоятельства вынуждают нас принимать меры. Архиепископ Дэвидсон сделал официальное заявление о том, что он, как глава англиканской церкви, обеспокоен рядом книг, в которых теория относительности связывается с представлением о вселенной.

«Ь- Я никогда не интересовался теорией относительности, — заметил Томсон. Сандерсон кивнул.

— Но теперь, сэр Джозеф, мы хотим, чтобы вы поинтересовались ею и просмотрели наш документ, который мы составили по поводу идей Эйнштейна.

— Я просмотрю ваш документ, — вздохнув, ответил Томсон. — Но, право, милейший, электрическое строение материи и материальное представление о вселенной следуют не только из теории относительности, но и из наших, английских уравнений Максвелла!

Сандерсон, теперь уже нехотя, вынул из портфеля документ и отдал его Томсону.

Меморандум Сандерсона и архиепископа остался у Джи-Джи навсегда. По поводу теории относительности его больше не тревожили.

Однако вскоре беспокойство охватило всю научную общественность. Приближалась весна 1919 года — года полного затмения Солнца. Его ожидали с особым нетерпением: ведь наблюдения должны были или доказать, или опровергнуть общую теорию относительности!

Суть дела в нескольких словах состояла в следующем. В соответствии с эйнштейновской теорией луч света, проходя около такой огромной массы, как Солнце, должен изогнуться, испытывая притяжение. Но в обычных условиях солнечное излучение своей яркостью затмевает любые световые лучи от других источников (звезд, например), которые проходят вблизи Солнца. Во время затмения, когда Солнце будет заслонено Луной, искривление луча от какой-либо звезды можно было бы заметить…

Группа английских астрономов прибыла в Африку для наблюдения солнечного затмения.

Королевское научное общество Англии в полном составе во главе с Томсоном в условленный час ожидало телеграммы о подтверждении или опровержении эйнштейновской гипотезы.

Томсон сохранял официальное спокойствие, скрывая свое волнение. Но ему, с юности мечтавшему убедиться во взаимопревращении любых форм энергии, страстно хотелось торжества дерзкой эйнштейновской теории. И хотя он заявлял о том, что «не интересовался» этой теорией, потому что считал себя в известной степени первооткрывателем этих идей, он помнил сейчас только о том, что впервые в истории науки может подтвердиться тождество между светом и массой…

Члены Королевского общества невозмутимо сидели в своих креслах. В высоком узком коридоре молча курили свои трубки хладнокровные англичане. Старые ученые соблюдали вековую традицию: в зале Королевского общества не курят. И ожидали нарушения всех традиций: масса должна была притянуть к себе луч света. И втайне надеялись на невозможность этого.

Но вот на кафедру, держа в руках телеграмму, вышел Джи-Джи. Он прочел известие от экспедиции.

Английские астрономы, наблюдавшие солнечное затмение, подтвердили истинность общей теории относительности Эйнштейна: световой луч, проходящий вблизи Солнца, испытал притяжение этой гигантской массы и… изогнулся!

Глубокая тишина была нарушена громом рукоплесканий и возгласов. Хранители традиций ликовали по поводу нарушения еще одной традиции природы!

Газеты вышли с фотографией изогнутого светового луча. Люди, не знавшие, что такое теория относительности, ринулись в библиотеки.

Председатель Королевского общества Великобритании Джозеф Джон Томсон послал поздравление Альберту Эйнштейну.

Странное открытие Джорджа Томсона

Вслед за теорией относительности в физике стали происходить странные события.

Еще до войны были проделаны опыты немецкого физика Лауэ, которые показали, что рентгеновые лучи представляют собой не частицы, как полагал Брэгг-старший, а электромагнитные волны, как считал приятель Джорджа — Брэгг-младший. Опыты Лауэ состояли в том, что на кристаллы различных веществ направляли пучок рентгеновых лучей и наблюдали на экране их распределение. Картина, полученная на экране, имела вид концентрических черных колец.

А дальше Джордж Томсон сделал то же самое с пучком электронов: он направил их на кристалл коллодия. Полученная им на экране картина не отличалась от дифракции рентгеновых лучей и свидетельствовала о странном, но, увы, бесспорном факте: электроны вели себя не как частицы, а как волны.

Таким образом, сделано было открытие весьма просто. И Джордж заметил при этом, что ему кажется странным: почему никто до него не догадался проделать этот опыт? Однако при всей будничности выполненного им исследования, странность его заключалась совсем не в том, что раньше никто не догадался его осуществить. Странность состояла в том, что те самые «корпускулы», которые открыл его отец, оказались не частицами — а волнами.

Как же расценил это событие сам Томсон-старший?

Конечно, он гордился успехами сына, получившего Нобелевскую премию за свое открытие. Джордж Томсон умел ясно видеть логическую цепь развития научных событий, знал, где главное звено в данный момент: как точно наметил он направление своего решающего эксперимента, доказавшего существование электронных волн! Открытия Томсонов — отца и сына — обогатили физику величайшими знаниями и глубокими противоречиями. В самом деле, можно ли сочетать в одном явлении и Ньютонову классическую физику с ее четким представлением о массе и размере частицы, и волновую механику, утверждающую, что тело не находится в определенной точке, а «размазано» в пространстве? Как понять совместимость этих исключающих друг друга взглядов на природу? В этой книге нет места для уравнений квантовой механики. Да и не нужно излагать здесь то, что можно прочесть в превосходных научных трудах, посвященных этим проблемам. Французский физик де Бройль опубликовал уравнение, в котором доказывалось, что электрон является одновременно и частицей и волной. А длину волны электрона можно даже подсчитать.

Это было настоящим бедствием для классической физики и подрывало ее основной фундамент: смазывалось различие между частицей и распространяющейся в пространстве волной. Идеи де Бройля вели к новой волновой механике Шреденгера, к квантовой механике Гейзенберга. Это все предстояло пережить поколению Джорджа Томсона, но, увы, не Джи-Джи, который хотя и продолжал здравствовать в своих двух комнатах Кавендишевской лаборатории, но волновую механику не принимал.

Что же происходило в жизни Джи-Джи после того, как он перестал допускать в нее новые физические идеи?

Великая провинция

Продолжая работать вместе с верным Эвереттом в двух комнатах на первом этаже Кавендишевской лаборатории, которые были оставлены в его распоряжение, он вел дальнейшие исследования физики газового разряда.

Зрелость большого ученого отличается благородной скромностью проводимых исследований. Часто поверхностные критики ищут в позднем периоде научного творчества новые бурные свершения и не находят их. «Старость», — говорят строгие критики, оглядываясь на события давно минувших дней. И ошибаются: зрелость отличается от старости тем, что опытный мастер умеет трезво оценивать происходящие научные события, он спокойно дает будничное название своей очередной статье, не желая создавать шумиху из-за «волнующего открытия». Он предоставляет эту возможность молодому исследователю, который неизбежно «переболеет» великим открытием так же, как ребенок болеет корью. Именно таким способом Томсон опубликовал двести научных статей.

У него было очень много друзей. Он увлекался новыми знакомствами, путешествиями, зрелищами.

В 1937 году он снова побывал в Америке. Ему семьдесят лет, но жизнь привлекает его своей новизной, яркими красками, неожиданными впечатлениями. Ему нравится путешествовать на первоклассном лайнере, переделанном из бывшего германского военного корабля, и он с любопытством осматривает оставшиеся на нем следы от боевых действий. С восторгом пользуется радиоаппаратурой, установленной на лайнере, и следит за передачей о футбольном матче между Кембриджем и Оксфордом. У самых берегов Америки выясняется, что выигрывает Кембридж. И Джи-Джи ликует.

Вместе со своей дочерью Джоан он едет в Филадельфию, куда его пригласили прочесть курс лекций. Но в этот свой приезд он не ограничивается посещением университетов, он бывает в театрах, на спортивных стадионах. Его увлекает новая форма эстрадных выступлений для широкой публики. На нью-йоркских стадионах выступает модный политический куплетист: он бывший ковбой и, щелкая лассо, выкрикивает остроумные песенки, высмеивающие последние политические события. Во втором отделении он же показывает отчаянные трюки на лошадях. Зал рукоплещет. Джи-Джи азартно аплодирует у каната, ограждающего эстраду. Ковбой посылает особое приветствие знаменитому ученому, прибывшему в Америку. Наука входит в моду.

Между тем Томсон чувствует себя отлично в шумном американском городе, и даже небоскребы ему нравятся. Впрочем, добавляет он при этом, больше всего ему нравится в них то, что они далеко от Англии…

Он осматривает первые электронные предприятия и на этот раз не отказывается от контактов с деловыми людьми. Но однажды вечером, перед самым отъездом, вернувшись в свой отель в Филадельфии, он нашел визитную карточку неизвестного человека. Через десять минут является он сам. Это скромный инженер, бедно одетый и взволнованный предстоящей встречей с великим ученым.

— Я счастлив, что имею честь видеть вас именно в этой комнате, — говорит он.

— Почему именно здесь? — спрашивает Томсон.

— Как, разве вы до сих пор не знали? Ведь висит мемориальная доска! Именно сюда, в этот когда-то безвестный отель, явился без цента в кармане бедный изобретатель, чтобы проделать свои опыты в пустом и нетопленном номере! Ведь это был Франклин.

Джи-Джи краснеет. Ему стыдно, что в том самом номере гостиницы, где в одиночестве делал свои открытия бедняк, одаривший науку бесценными открытиями, живет теперь он, преуспевающий ученый… Но к Джи-Джи снова возвращается острое зрение хладнокровного исследователя. На мгновение он четко увидел себя и прошедшую перед ним «забытую» физику.

— Благодарю, вас, — говорит он спокойно. — Я никогда не забуду это напоминание.

Он не тяготился своим возрастом, и озорство манчестерского мальчишки не покинуло его и тогда, когда в одной из газет появилась забавная заметка, написанная неким ядовитым старцем (может быть, все тем же Даблом).

«…Я не вижу особенной пользы в чтении многих книг, — писал этот ровесник и соученик Томсона. — Вместе со мной в школе учился некто Джо Томсон — мальчик, получавший ежегодные награды за заучивание отрывков из разных книг. Но кто же сегодня слышит что-нибудь об этом Джо Томсоне?»

На банкете, посвященном очередной годовщине открытия электрона, эта заметка из манчестерской газеты была неожиданно прочитана перед собравшимися. После этого председатель попросил сэра Джозефа Джона Томсона сказать несколько слов.

Восьмидесятилетний Томсон весело вскочил и воскликнул:

— Я желаю вам и сегодня не слышать более ничего об этом Джо Томсоне!

…А в Англии, казалось, ничего не изменилось, хотя в то же время изменилось многое.

Летом в загородном доме Джи-Джи летали черные пчелы, и его дочь Джоан называла их «фашистками». Она утверждала, что их привезли из Италии, где водятся чернорубашечники. Черные рубашки — и никаких лишних мыслей. Очень агрессивны.

Из Германии приходят известия о новой травле Эйнштейна. Против него опять выступил старый знакомец Филип Ленард и требует изгнания из страны как ученого, «не соответствующего идеалам чисто немецкой науки». Заодно Ленард осыпает бранью и англичан, осмелившихся экспериментально подтвердить теорию относительности.

«Некоторым может показаться странным, — злобно пишет Ленард, — что германская наука руководствуется суждениями Англии. То обстоятельство, что наблюдателями солнечного затмения оказались именно англичане, не имеет никакого значения для оценки результатов наблюдения… Нам прежде всего надо иметь свою, настоящую немецкую прессу…»

— А, так он не доверяет английским журналам, — произносит Томсон. — Тридцать лет тому назад Филип Ленард не доверял немецким журналам, когда Вильгельм Рентген сделал свое открытие. Печально, если в Германии теперь получают право голоса такие люди, как он.

Приближаются страшные годы. Нацисты, используя обслуживающих их ученых, выносят Эйнштейну обвинение в антинемецкой деятельности.

Эйнштейн заочно приговорен к смертной казни.

В тихий Кембридж прибывают первые беженцы из гитлеровской Германии.

Среди них много коллег, сотрудничавших в Кавен-дише. Беженцы растеряны. Они лишились родины, крова, лабораторий, кафедр, покоя. Они нуждались в дружеской поддержке, в признании, в работе, в деньгах. Джи-Джи всячески старался помочь несчастным, пострадавшим от расовой политики Гитлера. Он щедро раздавал свои накопленные сбережения. По свидетельству сына Рэлея, «он ссужал по сто фунтов направо и налево». Делал он это легко, тактично, незаметно, ибо сам познал многолетние материальные трудности: профессорское жалованье в Кембридже было невелико, и ему очень долго приходилось подрабатывать не только преподавательской деятельностью, но и частными уроками.

Бедствия Джи-Джи принимал спокойно и делал все, что было в силах, чтобы помочь пострадавшим. Томсон глубоко презирал фашизм, как и всякое насилие над наукой. И особенно уважал Резерфорда за его благородную и отважную деятельность в защиту ученых, пострадавших от гитлеризма.

В 1936 году Томсона постигла невозвратимая утрата: он потерял Эбенизера Эверетта и, по-стариковски сгорбясь, горько плакал над могилой верного друга.

В 1937 году мир потерял Резерфорда. И Томсон шел за гробом того, кому передал свой Кавендиш…

Между тем черные мундиры появились не только в Италии, но и в Германии. Фашистское чудовище протягивало щупальца к другим странам Европы. Английские политики были в смятении — они не ожидали столь быстрого нарастания его агрессивности. В Англии делались попытки проводить осторожную политику невмешательства.

Томсон также надеялся на уклончивую политику Невиля Чемберлена. Этот политический деятель бывал в загородном домике стареющего ученого и, сидя в его саду, где расцветали ранние лиловые крокусы, выкуривал трубку, наслаждаясь несгибаемыми британскими традициями этой великой научной провинции. Навещать прославленного кембриджского ученого было приятным долгом и в то же время уютным времяпрепровождением. Казалось, можно было твердо укорениться в намерении защищать свою «добрую старую Англию» любой ценой… В беседах с Томсоном можно было поговорить о кембриджских чудачествах, вспомнить историю зонтика, который сначала нельзя было носить в академическом облачении, потом полагалось нести перед собой — острием книзу — и, наконец, пользоваться как тростью, постукивая им по тротуару.

Но пришел день, когда Невиль Чемберлен отправился со своим респектабельным зонтом на самое худшее преступление, какое было совершено британской внешней политикой. Он отправился в Мюнхен, чтобы договориться с Гитлером о разделе Чехословакии.

Это было 30 сентября 1938 года. Невиль Чемберлен стоял под зонтом, спасаясь от дождя, и пожимал протянутую руку Гитлера.

Так он и вошел в историю как человек, пытавшийся спрятаться под зонтом от потоков крови, которыми фашизм залил Европу.

Третьего сентября 1939 года Гитлер напал на Польшу, и даже самым неискушенным в политике людям стало ясно, какую роковую роль сыграла политика Невиля Чемберлена, пытавшегося задобрить коричневое чудовище.

В тот же день, 3 сентября 1939 года, Англия вынуждена была объявить себя в состоянии войны с Германией. Это стало началом новых страшных событий для английского народа, испытавшего в 1914 году первую бомбардировку мирных жителей с «цеппелина», а теперь подвергшегося массовым налетам немецких самолетов.

Джи-Джи не дожил до этих страшных дней. Он не видел разрушенных соборов, уничтоженных лондонских кварталов-До глубокой старости он продолжал работать в своей лаборатории, возделывать свой сад, любить своих друзей и радоваться их успехам.

Но жизнь может кончиться только смертью.

Он скончался 30 августа 1940 года и похоронен в Вестминстерском аббатстве, вблизи праха Ньютона и Резерфорда.

Несколько слов о самом открытии

Читатель, закрывший последнюю страницу книги, снова возвращается к ее заглавию — «Открытие Джи-Джи»… Как же все-таки было сделано это открытие? Ведь некоторым, вероятно, захочется проникнуть в глубь первоначальных экспериментов, доказавших существование электрона.

Что же знаем мы с тобой, читатель? Во-первых, курс физики за шестой и седьмой классы. Это немаловажно. Кроме того, мы знаем многое о том, что происходит в окружающей нас действительности под влиянием развивающейся электроники, и часто слышим о том, какое наследство оставил нам старик электрон, обнаруженный семьдесят пять лет назад.

Но историку науки прежде всего нужно увидеть первые статьи Томсона, в которых без прикрас описываются его первоначальные эксперименты.

Первая работа Томсона была опубликована в 1897 году в журнале «Philosophical Magazine and Journal of Scieпсе». Читаем: «Эксперименты, описанные в этой статье, были проведены в надежде получить некоторые сведения о природе катодных лучей. Существуют различные суждения об этих лучах: большинство немецких физиков полагает, что они связаны с каким-то процессом в эфире. Другая точка зрения состоит в том, что катодные лучи в действительности представляют собой частицы материи, заряженные отрицательным электричеством. С первого взгляда может показаться, что не представляет особого труда различить столь различные мнения, но опыт показывает, что это не так…»

Вначале Томсон описывает, как он продолжил эксперимент французского ученого Жана Перрена и доказал, что катодные лучи отклоняются в электрическом поле и при малых напряжениях, которых не удалось достигнуть Перрену. Это подтверждало, что катодные лучи действительно несут отрицательный заряд. Однако, исходя из этого, еще нельзя было сказать, что сами они и есть отрицательно заряженные частицы. Ведь электрические заряды могли бы покачиваться на волнах эфира, как мячи на воде. Надо было еще отклонить катодные лучи в магнитном поле, вот это неопровержимо доказывало бы, что сами катодные лучи — электрически заряженные частицы.

И вот Джи-Джи выдувает с помощью Эверетта причудливую стеклянную колбу с узкой щелью для входа катодных лучей и запаивает в нее анод и катод. На колбу надевают катушку электромагнита. При включении тока на проходящие катодные лучи начинает действовать магнитное поле. Траекторию лучей легко проследить по яркой фосфоресценции того участка стекла, на который они попадают. Кроме того, возникает светящийся ореол и вокруг пучка лучей, проникающих через щель.

Как только включалось магнитное поле, фосфоресцирующий участок стекла сдвигался и путешествовал вместе с отклоняющимся пучком по всей колбе. Кроме того, узкие, сфокусированные щелью пучки превращались в широкий веер, распадающийся на спектр темных и светлых полос. Все эти явления оказались крайне интересными и свидетельствовали не только о том, что катодные лучи — электрически заряженные частицы, но что в разреженном газе возникают любопытные эффекты, причастные к новой области физики: электрическому разряду в газах.

Но Томсон недаром был «нападающим» в науке, как и в футболе. Не останавливаясь на побочных эффектах, он пробивается вперед, чтобы забить гол в ворота истории науки.

Прежде всего он разрабатывает несколько методов экспериментального определения параметров неизвестных частиц. Для Томсона измерить — значит доказать.

Какие же параметры «еще не существовавших» частиц были выбраны Томсоном?

Здесь-то и намечается тот переломный пункт, когда будничное научное исследование превратилось в открытие. Томсон начинает представлять себе эти мельчайшие частицы, как реально существующие, и обращается с катодными лучами, как будто он уже знает, что они бесспорно состоят из электрически заряженных крупинок, обладающих и кинетической энергией mv2/2 и электрическим зарядом е. При этом напрашивается сам собой интересный критерий поведения этих мельчайших крупинок: отношение их массы m к их заряду е. В самом деле: чем больше масса частиц m, тем меньше их отклонение в электрическом и магнитном полях, но зато чем больше их заряд е, тем, естественно, отклонение катодных лучей больше. Следовательно, измеряя отклонения лучей, можно оценить отношение их массы к заряду, а это кое-что может нам сказать и о природе частиц, из которых, по-видимому, состоят катодные лучи.

Один из вариантов метода определения m/e будущих электронов, примененный Томсоном впервые, состоял в следующем.

Поток катодных лучей падал на термоэлектрический спай (термопару), отдавая ему кинетическую энергию частиц, равную N mv2/2 где N — число частиц, проходящих через поперечное сечение пучка за данное время. Термопара, естественно, нагревалась под действием поглощаемой кинетической энергии катодных лучей, и это тепло нетрудно было измерить по повышению температуры спая.

Конечно, согласно закону сохранения энергии кинетическая энергия электрически заряженных частиц равна теплу, приобретаемому термопарой.

С другой стороны, можно было с помощью геометрических построений легко измерить радиус кривизны траектории катодных лучей при их отклонении в магнитном поле. Томсон обозначил этот радиус кривизны через р. Тогда, если выразить напряженность магнитного поля через Н, можно написать уравнение: mv/e = Hp.

Анализ этого уравнения мы представляем юным историкам науки.

Затем Томсон записал следующие формулы:

1) W = mv2/2 — кинетическая энергия частиц;

2) Q = N-e — количество электричества, переносимое этими частицами;

3) V = 2W/QH

4) m/e = H2p2Q/2W.

Таким образом, измерив напряженность магнитного поля Н, радиус кривизны р, количество электричества Q и кинетическую энергию W по нагреву термопары, Томсон сумел впервые измерить неизвестных частиц. Это и послужило первой ступенькой открытия элементарной частицы материи, ибо это отношение, равное 0,4 X 10-7, оказалось так мало, что заставило предположить: обнаруженные частицы не сравнимы ни с одним из известных атомов или молекул. Новые частицы в тысячу раз легче, чем самый легкий атом — водорода!

Здесь мы предлагаем читателю заглянуть в современные физические справочники и убедиться в том, сколь грубы были первые эксперименты Томсона.

И все-таки Томсон не был бы одним из лучших экспериментаторов своего времени, если бы не продолжил свои опыты по измерению m/e в различных газах.

В самом деле: определив m/e в воздухе, мы еще не доказали, что получим то же самое в аргоне, неоне, водороде. А может быть, полученная нами новая частица не универсальна, а наблюдается только в разреженном воздухе?

И Томсон измерил m/e не только в различных газах, через которые проникали катодные лучи, но изменил самый метод определения этого отношения. Им был разработан знаменитый способ, вошедший впоследствии в атомную физику для разделения электрически заряженных частиц с разными массами и зарядами. Этот метод состоял в том, что на катодные лучи одновременно действовали и электрическое и магнитное поля, направленные перпендикулярно друг другу. Под действием этих взаимно перпендикулярных полей частицы начинали описывать циклоиду — кривую, диаметр которой зависит от напряженности электрического и магнитного полей, а также от отношения m/e. Катодные лучи заключали в коробку с передвижными стенками, служившими обкладками конденсатора. Отодвигая обкладки, изменяли напряженность электрического поля, а таким образом и диаметр циклоиды, описываемой частицами. Можно было, конечно, менять и напряженность магнитного поля. Диаметр циклоиды вычислялся по формуле: 2Xm/eH, где X — напряженность электрического поля, Н — напряженность магнитного поля, m и е — параметры исследуемых неизвестных частиц.

Нетрудно себе представить, какие широкие перспективы открыл метод Томсона, когда физика стала располагать, кроме электрона, другими электрически заряженными частицами, с различными m и е. Этот метод был опубликован Томсоном впервые в журнале «Тhе London Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science» за 1899 год.

В своей статье он описывал также опыты, когда частицы наблюдались не только в различных газах, но и под действием разнообразных возбудителей электропроводности газа. Что это означало? Чрезвычайно важный шаг в работах Томсона: частицы с удивительным отношением m/e наблюдались не только в катодных лучах, но и в электрически ионизованных газах, подвергнутых воздействию рентгеновых лучей или ультрафиолетового облучения. Вот уж теперь можно было говорить об универсальной частице материи: ведь она существует не только в катодных лучах, проходящих через различные газы, но и в газах, подвергнутых ионизации. Эти последние эксперименты — также интересный материал для пытливого историка науки.

Наконец Томсон совершил, казалось бы, совсем необоснованный скачок: он перешел от исследования газов и катодных лучей к изучению электрически заряженного облачка над накаленной угольной нитью. И что же? Над этим первобытным накаленным катодом также носились корпускулы с неизменным отношением m/e. В ходе новых экспериментов Томсон стал исправлять свои ошибки: отношение m/e оказалось у него теперь значительно более точным, чем раньше, и приближалось к его современному значению.