Помоги проекту - поделись книгой:
Виталий Исаакович Рыдник
Охотники за частицами
Крошечные фигурки, зажав в руках копья, подкрадываются к огромному мамонту… Безвестный художник за много тысяч лет до наших дней изобразил немеркнущими красками на камне самый обычный эпизод из жизни наших далеких предков.
Охота… Уже давно она перестала быть жизненной необходимостью для цивилизованных людей. Но дух охоты неистребим. Каждый год вместе с перелетными птицами снимаются с насиженных мест целые стаи охотников. Влекомые веселой жаждой приключений, они бегут в холодные и мокрые леса и луга.
И с каждым годом среди них все больше «чудаков», вооруженных не дальнобойными двустволками, а еще более дальнобойными фотоаппаратами и кинокамерами. Дух охоты уступает в этих людях еще более сильному духу любознательности.
В этой книге мы расскажем об охотниках за невидимыми и неслышимыми зверями — мельчайшими частицами материи. Эти люди — самые любознательные среди охотников науки.
Долгое время охота велась в природном заповеднике этих частиц — в космических лучах. В последние годы охотники за частицами научились создавать искусственные заповедники. Охота пошла успешнее.
Сегодня ее трофеи насчитываются десятками. Кухня, на которой орудуют повара-теоретики, завалена свежей дичью. В адском дыму поразительных идей, в котором жарится эта дичь, повара готовят самое вкусное блюдо современной физики — единую теорию частиц.
Эта теория, возможно, принесет людям такие практические плоды, перед которыми поблекнут даже самые смелые предсказания сегодняшних фантастов. Эта теория наверняка откроет нам изначальные, самые фундаментальные свойства мира, в котором мы живем.
Как ведется самая трудная и сложная из охот, как ее трофеи складываются в единую картину мироздания, — этому и посвящена наша книга.
Глава 1
Вторжение в атом
В Колтушах — маленьком городке под Ленинградом — стоит памятник собаке. Безымянной и бесконечно терпеливой собаке, которая помогла понять человеку, как он воспринимает окружающий мир.
Памятника лягушке нет нигде. Небольшое скользкое существо, вызывающее брезгливое чувство у многих людей, — и еще поставить ему памятник? Собака — друг человека, доказавший это не раз и не два. А скажите, пожалуйста, в чем лягушачьи заслуги?
У лягушки, однако, не меньшие, чем у собаки, заслуги перед наукой. Лягушка открыла людям первые секреты анатомии, кровообращения, работы мышц.
Но с наибольшими основаниями, думается мне, памятник безропотной лягушке должны были бы поставить физики. Почти два века назад страдающее подрагивание лягушачьей лапки возвестило начало новой эпохи в физике. Эпохи, которая продолжается и по сей день, — эпохи электричества и впоследствии — атома…
Конец восемнадцатого и начало девятнадцатого века — удивительно интересное время. Под громоподобные звуки «Марсельезы», а затем под гром наполеоновских пушек перекраиваются не только границы государств. В лабораториях и тихих кабинетах «чудаковатых фантазеров» перекраиваются и границы наук.
Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта открывают электричество, с тем чтобы тут же начать неистовый спор о природе и происхождении его. В конце концов Вольта возносится на вершину славы, а поверженный его противник умирает полузабытым.
Но оба они еще застают появление малозаметной статьи малоизвестного ученого Уильяма Проута. В этой статье Проут возрождает из двухтысячелетнего небытия гипотезу об атомах.
Даже если бы Гальвани и Вольта с величайшим вниманием прочли эту статью, она не вызвала бы у них решительно никаких эмоций. Всему свое время.
Первые годы новой науки — словно первые разрозненные кристаллики, возникающие в безжизненно прозрачной жидкости. Должны пройти годы, пока они, разрастаясь, сольются в один большой магический кристалл нового знания. Долгие годы…
А пока что кристалл потихоньку растет. Еще в конце восемнадцатого века Александр Гумбольдт открывает электролиз. Жидкость, которая кажется такой сплошной и однородной, вдруг расщепляется на составные части под действием электрического тока! Спустя тридцать лет Фарадей устанавливает законы электролиза. Эрстед и Ампер, обнаружив взаимодействия токов и магнитов, первыми проникают в таинственную «душу магнита». И над этими замечательными работами Джемс Максвелл возводит стройный купол первой теории электромагнитных явлений.
Современники не всегда сразу оценивают по достоинству действительно крупные революционные физические теории. Так было и с теорией Ньютона о движениях тел, и с теорией Планка о квантах энергии, и с теорией относительности Эйнштейна, и со многими другими. Теория Максвелла среди них не исключение.
Еще двадцать лет спустя после ее появления знаменитый физик Людвиг Больцман, один из создателей молекулярной физики, читая лекции по теории Максвелла, начинал их словами из «Фауста» Гёте: «Я должен пот тяжелый лить, чтобы научить вас тому, чего сам не понимаю!»
И эти слова высказал один из проницательнейших физиков своего времени! Что же тогда говорить о других?
Другие физики в эти годы спокойно пробавлялись старым-престарым представлением об электрических жидкостях. Тепловой жидкости — флогистону — давно уже пришел конец. Вслед за новаторскими работами Ломоносова все тепловые явления отлично объяснила молекулярная теория. Электрический же ток в представлениях многих ученых по-прежнему оставался потоком электрической жидкости.
Так нередко бывает в науке. В течение многих лет мирно сосуществуют друг другу противоречащие представления.
Разве что электрическая жидкость была двух родов — положительного и отрицательного. Об этом говорил уже неплохо изученный к тому времени электролиз.
Что в растворе? Молекулы жидкости, жидкости на сей раз обыкновенной. А отсюда уже как будто один шаг до «молекулы электричества». Но сколь он труден, — этот шаг!
И все-таки он делается. Как ни удивительно, помехой этому шагу служит сама теория Максвелла. В этой теории обладателем электромагнитных свойств объявляется не какая-то «молекула электричества», а особая, безраздельная, абсолютно текучая и непрерывная среда — эфир.
Эфир! Тончайший, неуловимый, начисто лишенный «грубых» материальных проявлений, вроде столь «земной» — массы. Эфир, не имеющий никакой структуры, не разложимый ни на какие отдельные частицы! И думать даже грешно о какой-то структуре самой неосязаемой субстанции на свете.
А думать приходится. В той же теории Максвелла на самый передний план выступают источники электромагнитного поля — электрические заряды и их движения, именуемые токами. Что кроется за этими понятиями? Какие предметы наделены таким свойством, как электрический заряд? Движение каких предметов вызывает электрический ток?
Какие предметы? Можно допустить, что это молекулы. Что ж, пока такое допущение ни к чему не обязывает. Представлением о молекулах пронизана вся физика тех лет, и мысль об «электрической молекуле» с совершенной неизбежностью должна появиться.
Но, возражают скептики, молекулы ведь совершенно нейтральны электрически. В опытах по электричеству они обнаруживают себя лишь в том случае, если им сообщить заряд извне или отнять его. Тогда они получают название ионов и участвуют в явлении электролиза.
Сообщить заряд, отнять заряд… Это по-прежнему не решает вопроса о том, что же такое заряд. Словно посадили на молекулу какую-то неуловимую «метку» — и побежала молекула в электрическом поле, отняли — побежала в обратном направлении. Это явление говорит лишь только о движении молекулы, но никак не о метке. Нет, нет, и возражать не стоит! — заключают скептики.
И действительно, им почти никто не возражает. Электричество в самом деле кажется какой-то странной «накладкой» на обычные и привычные свойства вещества. Но может быть и другая возможность, полагает немецкий физик Вильгельм Вебер: «При всеобщем распространении электричества можно принять, что с каждым весомым атомом связан электрический атом».
Это сказано еще до завершения Максвеллом его теории. А вот и сам Максвелл скрепя сердце говорит такие знаменательные слова: «Назовем для краткости молекулярный заряд молекулой электричества; это выражение, как бы оно ни было несовершенно и как бы мало оно ни гармонировало с остальным содержанием нашей теории, все-таки поможет нам ясно высказать все, что мы знаем об электролизе».
«Электролиз требует», — Максвелл вынужден сделать признание. Но ученый все же не сдается. «Молекула электричества» — понятие несовершенное, неправильное, оно не удержится в науке. Когда мы по-настоящему познаем электролиз, от молекул электричества не останется и следа.
Ах, как он ошибается! Еще за год до смерти Максвелла голландский физик Гендрик Лоренц подводит под «эфирную» теорию более «весомый» базис. Молекула — это собрание мельчайших заряженных частичек. Заряды их одинаковы по величине, но могут быть противоположны по знаку. Так пишет Лоренц.
Неужели он «догадался»? Нет. До правильной догадки остается еще почти двадцать лет. Лоренц считает, что эти частички — ионы. Те самые ионы, которые, по его мнению, и объясняют удивительное поведение молекул при электролизе.
Но не будем придирчивы.
Согласитесь, что разбить молекулу на «атомы электричества» — мысль в те годы очень дерзкая. Лоренц не только не настаивает на этой мысли, но он словно извиняется за ее дерзость. Он считает ее в некотором смысле возвратом к старым представлениям о двух родах электрической жидкости.
Замечательно! Точно так же спустя двадцать лет Макс Планк будет извиняться за свое представление о квантах. Мол, понимаю, что ввожу «неуклюжее», может быть, и совершенно «нелепое» новое представление. Единственное оправдание лишь в том, что с этим представлением, возможно, будет более удобно работать физикам.
Иной раз ученый, заклеванный своими научными противниками, быть может, и с радостью снял бы свое дерзкое представление. Но сие от него уже не зависит. Новая мысль высказана, она родилась, она уже отделилась от своего творца и зажила самостоятельной жизнью. Если жизнеспособно это зерно, брошенное на ниву науки, то оно рано или поздно прорастет. Рано или поздно — все зависит от того, насколько созрела нива для посева.
В те годы идея об атомности электричества словно носится в воздухе. Самые разнообразные явления сближаются друг с другом и требуют приведения их к единому знаменателю.
И новый парадокс!
На пути этой идеи высоким препятствием стоит сам атом. Вернее, представление о том, что слово «атом» следует понимать совершенно буквально: атом неделим.
Затем начинается время опытов. Школьных опытов, как вы сказали бы сегодня. Наука в наш век развивается быстро, технические ее приложения — и того быстрее. Сегодня вы без особого труда, даже порой со скукой во взоре, можете в школьном физическом кабинете ставить такие опыты, результатов которых с замиранием сердца ждали виднейшие ученые всего лишь век назад. И даже меньше, чем век назад.
Для них все было трудно. Например, вакуум. Чтобы изучить законы электрического разряда, в разрядной трубке нужно создать высокое разрежение. Газ в трубке, даже только следы его, — очень мешает. Стоит стегнуть газ электрическим током, и возникает невообразимая толчея молекул. В неоткачанной трубке — воздух. В воздухе — пары воды. Сегодня их одно количество, завтра влажность воздуха возросла — уже другое. Результаты опытов разнятся день ото дня. «Грязный опыт» — это понимали ученые и в те времена.
Стучит в лаборатории вакуумный насос, а то и — чего проще — прямо с завода получаете запаянные трубки с уже введенными в них металлическими пластинками — электродами. Присоединяйте трубки к источнику высокого напряжения, например к катушке Румкорфа, и работайте.
Век назад все это составляло проблему. Вакуум — невысокий, да и тот «течет». Вставили в трубку электроды — снова часами набирайте вакуум. А ведь, кроме электродов, нужны были еще и достаточно сильные магниты, сильные электрические поля.
А главное отличие вот в чем. Сегодня получили задание от преподавателя и проверяйте. А то, что вы сегодня проверяете спокойно, уверенные в том, что «все должно получиться», — ведь это век назад никому не было известно. Все, что потом вошло в учебники ровными грядками слов и формул, искалось впотьмах. Каждую мелочь надо было проверять стократно! Не говоря уже о более существенных чертах изучаемых явлений.
Газ из трубки наконец в достаточной мере выкачан. Ртутный столбик манометра опустился почти до самого предела — 1/10 миллиметра. Включается напряжение, и… стенки трубки вдруг начинают светиться. По мере откачки газа цвет свечения меняется — от слабого красноватого до яркого желто-зеленого. Отчего? Непонятно.
«Изменим вещество электродов», — думает исследователь. Начинается новая длинная серия опытов. Нужно у себя же в лаборатории переплавить и очистить полученный металл, изготовить из него электроды тех же размеров и формы, впаять их в трубку из того же стекла, откачать воздух до того же давления… и убедиться в том, что все это ничего не изменило!
Ученый подносит магнит к трубке. Подносит так, из любопытства, ничего не ожидая. Свечение смещается по стенке трубки. Проверяется еще раз — снова свечение ползет за магнитом.
Что бы это могло быть? Видимо, в трубке появилась какая-то электрическая субстанция, какой-то ток. (Действие магнита на провод с током уже известно со времен Фарадея.) «Лучистая субстанция» вызывает свечение всюду, куда проникает.
А как эта «субстанция» движется? Исследователь, зовут его Уильям Крукс, вводит в трубку на пути предполагаемых лучей препятствие — металлический крест. И сразу же на задней стенке трубки появляется четкая тень креста. Это может означать одно: «субстанция» движется прямолинейно наподобие того, как распространяется свет.
Следующий опыт — его спустя пять лет ставит известный немецкий физик Генрих Герц. Тот самый Герц, который получил впервые электромагнитные волны и изобрел первую антенну. «Субстанция» Крукса отклоняется магнитом. «Значит, — думает Герц, — на нее должно действовать и электрическое поле. Это надо проверить». Герц изготовляет конденсатор и помещает его на пути «лучистой субстанции». Включается напряжение — и никакого эффекта!
Потрясающее разочарование. «Субстанция» оказывается незаряженной. «Это не электричество. Это волны эфира», — заключает Герц. То, что на них действует магнит, доказывает лишь, что все не так просто. И Герц начинает работать над своей теорией эфирных волн. Хотя он и ошибается, ошибка его благотворна для науки. Так бывало не раз. Ведь эфирные волны — это те самые радиоволны, которым несколько лет спустя Александр Степанович Попов даст новую замечательную жизнь.
А то, что Герц ошибается, доказано было еще за три года до его опытов. Евгений Гольдштейн, тоже не обнаружив влияния электрического поля на круксову «субстанцию», сделал хитроумный маневр. Он расположил в трубке возле источника «субстанции» — катода — второй катод. А анод сделал в виде узенькой пластины. И включил для начала только один катод.
Все шло нормально, как и в сотнях опытов до него. «Субстанция» достигла анода, и приборы в электрической цепи отметили появление тока. Но стоило включить второй катод, и ток резко падал, словно что-то сбивало «субстанцию» в сторону от анода. Этим могла быть лишь та же «субстанция» из второго катода. Гольдштейну пришлось заключить, что два потока «субстанции» отталкивают друг друга. Отсюда несомненно вытекало, что оба потока электрически заряжены, причем заряжены одноименным электричеством.
Сейчас мы можем легко понять причину неудачи Герца. Слишком плох был у него вакуум. Слишком слабыми оказались его электрические поля. А вот взаимные поля двух пучков «субстанций» в опытах Гольдштейна были уже достаточно сильны.
На стороне Гольдштейна были результаты еще одного важного опыта, который провел в 1895 году французский физик Жан Перрен. Он решил определить знак заряда потоков «субстанций». Опыт был не из легких, но в основе его лежала та самая идея, с которой вы в школе начинаете изучать электричество.
Электроскоп! Тот самый электроскоп, листочки которого сигнализируют о заряде, перешедшем на шарик с бузиновой или стеклянной палочки.
Перрен поместил в разрядную трубку металлический цилиндр «без дна и покрышки» как раз так, чтобы через него проходил поток «субстанции». Тонкая проволочка от этого цилиндра — его придумал неистощимый Фарадей — выходила через трубку и присоединялась к электроскопу, который уже был заряжен положительно.
Вот и вся установка. «Дешево и сердито!» — как сказал бы наш современник. И через пять минут после начала опыта, когда было включено напряжение и через цилиндр хлынули потоки «лучистой субстанции», Перрен уже знал, что она заряжена, причем заряжена отрицательным электричеством.
…Так растут, сливаются друг с другом отдельные кристаллики нового знания. Еще одно открытие — и все они сольются в единый монолитный кристалл. Этот заключительный шаг делает английский физик Джозеф Джон Томсон.
…Тихий университетский городок неподалеку от Лондона. Низенькие, построенные еще в средневековую старину здания. Размеренный, словно навеки заведенный, уклад жизни. И при всем при том не много городов знает такое жаркое кипение научных страстей, такое количество крупнейших открытий, какое было сделано в этом городе.
В десять часов вечера городок укладывается спать. Лишь в немногих окнах допоздна горит свет. Горит он и в окне квартиры скромного университетского профессора физики Томсона. Подытоживаются результаты дня, обрабатываются результаты опыта, лист за листом заполняются неровными строчками формул и цифр.
Это не качественный опыт Перрена или Крукса. Результаты опыта требуют солидной обработки математикой. И окончательные цифры странны, очень странны…
Кембридж. Здесь на рубеже девятнадцатого и двадцатого веков Джозеф Джон Томсон открывает электрон…
Все началось с повторения опытов Крукса, Перрена и Герца. Необъяснимое противоречие между действием на «лучистую субстанцию» магнитного и электрического полей все же требовало окончательного разъяснения.
Скорее всего, думает Томсон, это противоречие могло быть связано с тем, что опыты предшественников были «грязными». Почему не допустить, что после откачки в сосуде все еще оставалось большое количество газа? Можно предположить, что это газ каким-либо образом экранирует приложенное к «субстанции» электрическое поле.
А для этого есть основания. «Лучистая субстанция», проходя через газ, оставляет за собой «попорченные» молекулы газа. В самом деле, ионизация газа в этих условиях уже наблюдалась не раз. В результате возникает — чем не электролит? Положительные ионы бегут к отрицательной пластине конденсатора, отрицательные ионы — к положительной. Вокруг «субстанции» образуется словно защитный чехол, в который электрическое поле проникает только сильно ослабленным.
Убрать нужно «грязь»! Откачивать, откачивать газ, сутками, неделями, если понадобится! Устранить все течи! А молекулы газа, пытающиеся при откачке осесть на стенках и электродах трубки, снова и снова вспугивать с их мест электрическими разрядами! Пусть вакуум в камере станет таким, чтоб манометр встал на пределе.
Такая «тренировка» трубки, как мы бы назвали ее сегодня, в конце концов дает свои плоды. Действие электрического поля на «субстанцию» становится все более отчетливым. «Лучистая субстанция» заряжена. Можно попытаться определить ее заряд уже не только по знаку, а и по его величине.
И Томсон придумывает, как это сделать. Он изобретает метод, который и поныне, спустя более чем полвека, является одним из наиболее могучих в экспериментальной физике. Его стоит описать.
«Лучистая субстанция» — неважно сейчас, из чего она состоит, — отклоняется и в магнитном и в электрическом поле. Если угодно, эти поля — как бы боковой ветер, дующий на бегуна. Можно оба ветра направить так, чтобы они дули на бегуна в противоположных направлениях — слева и справа. Уравняем силу этих ветров — тогда бегун понесется по прямой линии. И судья на финише флажком (электрическим током в цепи анода) отметит его появление. Замерим при этом силу обоих ветров (а в физическом опыте — это напряженности электрического и магнитного полей). Отсюда по несложной формуле можно определить скорость бегуна (электрона).
А теперь начинается вторая, самая интересная часть опыта. Начнем увеличивать силу одного из ветров — бегун начнет сбиваться с пути вбок. Судью с флажком все время придется перетаскивать к месту нового финиша. Наш бегун уже бежит по кривой дорожке, и чем сильнее один из ветров, тем сильнее искривляется путь бегуна.
По какой дорожке теперь несется бегун? Оказывается, по окружности. Места его старта и финиша известны. Сила сбивающих ветров тоже известна. Без труда находится радиус беговой дорожки, а из его величины — отношение заряда к массе бегуна.
Большего опыт дать не может. Определить в нем порознь массу и заряд «лучистой субстанции» невозможно.
Но не спешите разочаровываться. Иной раз и косвенное измерение дает не менее ошеломляющий результат, чем самое прямое! А в этом измерении есть нечто ошеломляющее. Оно дает результат: отношение заряда к массе составляет для «лучистой субстанции» величину порядка десяти миллионов.
Вам непонятно, что из этого следует? Томсону тоже непонятно, но другое: как может получиться такое отношение, если для легчайшего из атомов — атома водорода — при электролизе это отношение в тысячу раз меньше. Это означает не более и не менее, что частицы «лучистой субстанции» в добрую тысячу раз легче самого легкого атома на свете. Это не лоренцовы ионы!
Вы в это можете поверить легко. А каково было Томсону? Снова и снова опыты — и опять те же цифры. Вместо накаленной алюминиевой проволочки на катод ставится медная, золотая, бронзовая, наконец, платиновая — все тот же результат. Трубка из одного стекла заменяется трубкой из другого сорта стекла — все остается по-прежнему. Наконец, накаленная металлическая нить заменяется пластинкой, облучаемой светом, — и снова отношение заряда к массе частичек «лучистой субстанции» оказывается все тем же.
Вот это и есть упрямство факта. Томсон вынужден, и с превеликой неохотой, уступить этому упрямству. С неизбежностью приходится заключить, что:
атомы отныне нельзя считать неделимыми;
из них можно вырвать отрицательно заряженные частицы под действием электрических сил, нагревания и облучения светом;
эти частицы все имеют одинаковую массу;
они несут одинаковый заряд, от каких бы атомов ни происходили;
Поделиться книгой: