Каждый из вас, наверное, наблюдал такую приятную картину. Ленивая волна набегает на берег. В песке лежит небольшой камень, набегающая волна раскачивает его, камень сначала немного сдвигается в сторону берега, потом возвращается вместе с водой. Через некоторое время волны могут либо окончательно вытолкнуть его на берег, либо утащить с собой на "дно морское". Но вот подбежал мальчишка-озорник и швырнул горсть камешков в сторону моря. Они не долетели до воды, врезались в самую кромку волн. Представьте себе, что камешки были брошены довольно сильно и один из них попал в тот самый камень, за колебаниями которого вы так долго следили. От сильного удара он сорвался с места и сразу же исчез под водой.

Нечто подобное должно было происходить и при падении света на вещество. Вместо длительного раскачивания электрона - мгновенное соударение, в котором квант света (это и есть новая элементарная частица) передает электрону энергию, необходимую для того, чтобы тот порвал связи с атомом и вылетел на свободу. Так получается потому, что электрон очень мал и "чувствует" зернистую структуру электромагнитного излучения, прерывистость электромагнитного поля. Когда же мы рассматриваем задачу о падении электромагнитных волн на большой и тяжелый объект, картина снова будет соответствовать представлению о непрерывном, плавно меняющемся поле.

Гипотеза световых квантов, несмотря на резкое противоречие с классической электродинамикой, не только утвердилась в физике, но вскоре стала применяться при описании механизма излучения атомом. Непосредственного доказательства существования новых частиц - световых квантов - пришлось дожидаться около 20 лет, но это не были годы пассивного ожидания. Можно без всякого преувеличения сказать, что эйнштейновская модель вынесла на своих плечах весь первый период развития квантовых идей.

Прямая экспериментальная регистрация квантов света (более широко квантов электромагнитного поля!) произошла в процессе исследования рентгеновских лучей. Как мы помним, примерно к 1912 году была доказана их электромагнитная природа. Однако при рассеянии веществом рентгеновские лучи обнаруживали несколько странное поведение - часть рассеянных волн имела меньшую частоту. Эффект уменьшения частоты (или увеличения длины волны) был найден уже в 1913 году, и это был еще один факт, противоречащий классической электродинамике, не допускавшей, чтобы рассеяние волн сопровождалось такого рода изменениями. Через 9 лет молодой американский физик А. Комптон, тщательно исследовавший странное явление, пришел к выводу, что наблюдаемое уменьшение частоты связано с потерей импульса световыми квантами в результате соударений с электронами. Тем самым было доказано, что квант, как и любая другая частица, несет и энергию и импульс

А. Комптон придумал для новых частиц отличное название - фотоны. С тех пор сдвиг длины волны рассеянного излучения именуется "эффектом Комптона".

Не менее интересна и история предоткрытия, а потом и экспериментального обнаружения третьего патриарха микромира - протона. В этой истории удивительно сильно сконцентрированы все надежды и достижения первопроходцев физики элементарных частиц.

Четкая формулировка исходной гипотезы о существовании некой частицы, несущей положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, но имеющей примерно в 1840 раз большую, чем у электрона, массу, принадлежит Э. Резерфорду. Она логически неизбежно вытекала из результатов работ по классификации известных атомных ядер. Все они выстраивались в последовательную цепочку по величине электрического заряда, который, в свою очередь, соответствовал порядковому номеру вещества в периодической системе элементов Д. Менделеева. Таким образом, ядро атома водорода, несущее единичный положительный заряд, должно было представлять собой элементарный объект, который одновременно играл роль строительного кирпичика для остальных ядер.

Гипотеза Э Резерфорда была настолько естественна и остальные параметры этой, названной протоном, частицы были вычислены до того надежно, что, пожалуй, ни у кого и не должно было возникнуть серьезных сомнений в ее существовании Прямая же экспериментальная регистрация новой частицы состоялась только через несколько лет, в 1925 году.

Вскоре после открытия атомных ядер Э Резерфорд поставил перед своей лабораторией труднейшую задачу- вызвать искусственную радиоактивность, обстреливая ядра альфа-частицами.

Действительно, если ядра способны к самопроизвольным превращениям, в результате которых происходит испускание, например, тех же альфа-частиц (так называемая естественная радиоактивность), то почему нельзя добиться аналогичных превращений искусственно, с помощью подобающих "мер внушения"?

Сам Э. Резерфорд предпринял, начиная с 1919 года, ряд попыток расщепить ядро; но полученные им данные не были достаточно убедительны. Тогда эстафету учителя принял представитель старой резерфордовской гвардии П. Блэккет.

Изучая рассеяние альфа-частиц на азоте, П. Блэккет блестяще справился с предложенной проблемой. Но новая элементарная частица не очень-то стремилась к саморекламе. В процессе ее поиска ему пришлось пересмотреть более 20 тысяч фотографий, где было зарегистрировано около полумиллиона траекторий одних только альфа-частиц. И лишь среди них он сумел отыскать восемь редких событий: ядра азота захватывали альфа-частицу и превращались в ядра кислорода, испуская протон!

Так на физическую сцену вышел главный герой современной физики высоких энергий - протон. У него пока почти все впереди. Он еще доставит десятки бессонных ночей экспериментаторам, теоретикам, конструкторам уникальных приборов. Одно упоминание о нем будет приводить в трепет правительственные комиссии по финансированию науки. И в довершение всего он окажется на редкость "неблагодарным" - первым из представителей микромира подаст глубоко обоснованный протест по поводу столь привычного и безобидного прилагательного "элементарный". Но все это впереди, а пока нам необходимо в корне пресечь одно назревающее недоразумение.

Только что было сказано, что протон обнаружился при просмотре фотографий. А можно ли сделать фотопортрет элементарного объекта, размеры которого примерно в сто тысяч раз меньше атома? Любой начинающий фотолюбитель скажет, что этого не может быть. И окажется вполне прав, хотя... портреты протона все-таки существуют.

Фотопленка фиксирует, конечно же, не самих героев микромира, а следы, которые они оставляют в том или ином веществе, и которые, как правило, видны даже невооруженным глазом. Но наши герои - великие конспираторы: они никогда не оставляют следов где попало. Поэтому вещество, в котором мы хотим зафиксировать движение микрочастиц, должно быть приведено в особое состояние и реагировать на появление долгожданных гостей так, чтобы глаза или фотоаппарат могли уловить эту реакцию. В общем, это напоминает устройство специальных полос разрыхленной земли вдоль государственных границ - любой пешеход-нарушитель поневоле должен оставить свою "визитную карточку".

А теперь нам снова придется взглянуть на события достославного 1897 года. Взглянуть для того, чтобы исправить небольшую неточность и сказать: это не просто дата рождения электрона, а дважды юбилейный год, ибо тогда был создан прибор, который сами же физики называли "уникальным окном в ядерный мир".

Итак, в 1897 году двадцативосьмилетний физик Ч. Вильсон, исследовавший проблему конденсации облаков из водяного пара, открыл интересный эффект. Известно, что в воздухе, перенасыщенном водяными парами, мельчайшие частички пыли становятся центрами конденсации влаги. Из огромного количества таких центров формируются симпатичные белые облачка и устрашающие "свинцовые" тучи. Ч. Вильсон обнаружил, что после достаточно полной очистки воздуха роль пылинок начинают играть заряженные частицы, например, ионы, вокруг которых охотно образуются капельки воды. Отсюда немедленно следовала идея прибора регистратора невидимок.

В сосуде, снабженном поршнем, создавалось насыщение водяного пара, затем с помощью поршня резко менялось давление и достигался нужный уровень перенасыщения, а в такой ситуации попадавшие внутрь заряженные частицы оставляли следы - полоски тумана. Так родилась знаменитая "камера Вильсона". Вскоре она была использована для исследования характеристики электрона, сослужила добрую службу в выяснении природы радиоактивности и, наконец, помогла П. Блэккету открыть протон.

Физика элементарных частиц родилась в процессе исследования всевозможных загадочных излучений. Поиски разгадок, несомненно, принесли замечательные плоды, но эти плоды не имели даже привкуса окончательной ясности и не сулили вкусившему их долгожданной радости. Катодные лучи поток электронов? Очень хорошо! А почему электрон несет заряд, составляющий 1,6021892.10-19 кулона? Почему электрический заряд протона по абсолютной величине с поразительной точностью совпадает с зарядом электрона, тогда как масса протона в 1836,15152 раза больше?

И конечно, существует множество других трудных вопросов, появившихся вместе с первыми частицами и до сих пор не имеющих ответа.

(C) Александр Потупа (Alexander Potupa) Бег за бесконечностью. Молодая гвардия (Эврика), Москва, 1977 (Run for Infinity; переводы: на венгерский - Utazas az elemi reszecskek vilagaba. Muszaki Konyvkiado,Budapest, 1980; на болгарский - Гонене на безкрайността. Наука и изкуство (Еврика), София, 1980)

ГЛАВА ВТОРАЯ, УВЛЕКАЮЩАЯ НАС В НЕБОЛЬШОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ ПО ВРЕМЕНАМ И ТЕОРИЯМ

Вероятно, время такое же круглое,

как наша Земля. Иначе, почему человек, направляясь в будущее, рано или поздно оказывается в прошлом.

Ф. Кривин

КОЕ-ЧТО О ПУТЕШЕСТВИЯХ ВО ВРЕМЕНИ

Человек обречен на определенные трудности - он вынужден устраивать свою жизнь сразу в трех временах. Каждый шаг, каждое решение в настоящем неразрывно связаны с нашим предыдущим поведением, и не только с ним, но и с опытом предшествующих поколений. В то же время большинство наших решений зависит от планов на будущее, от того, как мы представляем себе свое положение в завтрашнем дне.

Например, мечтая стать физиком, школьник стремится поступить на физический факультет университета и, естественно, уделяет любимой науке особое внимание. Ясно, что особые отношения с физикой могут формироваться под действием многих факторов, но, как правило, основную роль играет хорошее знакомство с доброкачественной научно-популярной литературой. Кого не способны привести в изумление увлекательные рассказы о цепочке открытий, изменяющих самые глубокие представления о мироздании! А приложения абстрактных физических теорий, ведущие к радикальной перестройке современной техники и технологии!

Конечно, одного изумления мало. Можно преклоняться перед красотой физических идей и всю жизнь писать стихи или искать нефть. Тут вступают в игру и многие другие факторы. Во-первых, изумление должно быть настолько сильным, чтобы превратиться в неукротимое желание принять участие в дальнейшей судьбе данной науки. Во-вторых, неплохо иметь способности к соответствующим занятиям. И, наконец, необходимо огромное упорство. Ведь сколько раз юношеское воображение, густо усеянное туманными образами фотонных звездолетов, наталкивалось на трудные пороги монотоннейших вычислений и противных, как зубная боль, капризов измерительной аппаратуры!

Так что поведение нашего школьника довольно сложным образом зависит от того, как он представляет себе историю физики, современное положение и перспективы работы в этой области, в частности, перспективы собственной деятельности в будущем. Вот и приходится путешествовать во времени, отвлекаясь от сегодняшних важных проблем. Без таких путешествий жизнь стала бы сплошным потоком серой текучки, а все горизонты стянулись бы в бессмысленную точку. И все же, в чем секрет увлекательных экскурсий?

В небольшом романе "Меж двух времен" американский писатель Дж. Финней придумал следующий литературный ход. Его герой то переходит в прошлое лет на 60 назад, то снова попадает в наши дни. Достигается это довольно простым способом. Героя поселяют в старинной квартире, окружают старинными вещами, даже вид из окон соответствует тому времени, в которое он должен попасть. Постепенно он настолько в это вживается, что в один прекрасный день выходит на прогулку и... застает город в том состоянии, в котором он находился многие десятилетия тому назад. Впоследствии молодой человек начинает устраивать подобные удивительные трансформации довольно регулярно и успевает совершить (вместе с очаровательной героиней) все необходимые подвиги.

Роман Дж. Финнея пронизан ностальгией по безвозвратно ушедшим "старым добрым временам". В конце концов, его герои предпочитают насовсем остаться в прошлом. Для нас же важно здесь несколько иное.

Основная идея автора глубоко научна - время для человека не отсчитывается по каким-то абсолютным часам, а метится по происходящим событиям. И в наши дни не так уж сложно попасть в такие места, где царствует техника тысячелетней давности. Представитель племени, живущего по такому укладу, оказавшись внезапно в стеклянных чертогах современного аэропорта, перенесется в собственное будущее, на многие века вперед.

Отсутствие абсолютных часов приводит и к интересному обратному эффекту. Оказывается, что прежде, чем как-то оценить давно минувшие или грядущие события, необходимо проделать большую и весьма тонкую работу: реставрировать, а иногда и воссоздать заново отдельные детали, постараться правильно разглядеть целостную картину прошлого или грядущего. Последнее особенно нелегко. Ведь современный исследователь всегда смотрит на отдаленные явления сквозь призму представлений своего века, а то и десятилетия. В этом смысле понимание прошлого и будущего сильно зависит от уровня, достигнутого в настоящем.

Еще каких-нибудь сто лет назад ученые не имели ни гигантских радиотелескопов, ни радиоактивных методов анализа... Не было, иными словами, даже способа датировки таких важных для естественной истории событий, как образование наблюдаемого участка вселенной или нашей планеты. Не расшифровывались многие древние письмена, не были обнаружены важнейшие звенья великой эволюционной цепочки "обезьяна - человек"... Так что немало значительных событий пребывало еще вне научной картины мира, искажая тем самым в большей или меньшей степени представление о прошлом.

Конечно, недостающие элементы вводились теоретически, и в таких гипотезах, как в капле воды, концентрировалось мировосприятие ученых того времени. Скажем, сама постановка проблемы возникновения вселенной считалась антинаучной, а попытки обсуждения пресекались как бесполезные богословские сказочки. Еще отчетливей роль "призмы своего века" видна в прогнозах на будущее. Во многих случаях эти прогнозы кажутся изрядным нагромождением нелепостей - летающие аппараты с огромными паровыми двигателями, телеграфный кабель между Землей и Луной, бурение скважин с помощью гигантских оптических линз... Но не будем забывать, что наряду со всем этим предсказывались полеты к другим планетам и проникновение в тайны атомов! И кроме того, задумаемся: не улыбнутся ли через сто лет наши дорогие потомки по поводу большинства наших перспективных проектов?..

Итак, для путешествия в далекое (а потом и более близкое) прошлое науки об элементарных частицах нам придется учитывать довольно сложное взаимодействие времен. Конечно, этот учет не будет вестись "с бухгалтерской точностью", очень многое будет сознательно упрощаться. Но упрощения не грех, если они не слишком сильно искажают истинное положение дел и оставляют простор для более глубоких размышлений.

МАРШРУТ № 1. НЕУЛОВИМЫЕ АТОМЫ

Физика элементарных частиц действительно очень молодая наука, но она имеет чрезвычайно древние корни, которые постепенно, в течение более двух тысячелетий, оплетали научные представления о структуре вещества. Как говорилось, непосредственный прорыв в мир частиц произошел 80 лет назад, когда Дж. Дж. Томсон объявил об открытии электрона. Однако значение его открытия намного выходит за рамки блестящего финала исследований природы катодных лучей.

Судя по имеющимся источникам, идеи о существовании "первокирпичиков" материи сформировались в Древней Греции. Первые формы атомистической гипотезы встречаются, по-видимому, у Фалеса Милетского, чья плодотворная и долгая (почти столетняя!) жизнь примерно поровну разделилась между VII и VI веками до нашей эры. Но настоящий расцвет античной атомистики относится к более позднему периоду и связан с именами Левкиппа и Демокрита. Именно последнему принадлежит очень важная идея о хаотическом движении атомов в пустоте как истинной причине изменчивости наблюдаемых вещей.

Ход рассуждений Демокрита и большинства других атомистов древности был довольно прозрачен и состоял приблизительно в следующем. Обычные куски вещества можно делить на множество более или менее мелких частей, причем каждая часть сохраняет ряд свойств целого, например, вода, разлитая из большого кувшина по малым сосудам, остается водой. Существуют ли наименьшие порции, сохраняющие основное свойство вещества "быть именно данным веществом" и не способные к дальнейшему делению? Если существуют, то любой объект можно рассматривать как огромную совокупность атомов (в буквальном переводе - неделимых), связанных между собой определенными силами.

В свете современных представлений Демокритов атом выглядит весьма наивно - нечто вроде очень маленького твердого шарика с крючочками, с помощью которых можно цеплять другие атомы. Наивность эта вполне оправдана, ведь в те времена люди не имели понятия ни о каких физических силах, кроме механического воздействия. Зато в последнем разбирались не так уж плохо были разработаны многие механизмы для вертикального и горизонтального передвижения тяжестей, откуда и заимствовались аналогии. Теперь мы хорошо знаем, что за структуру атомов и молекул отвечают электромагнитные силы, но тогда об электричестве известно было крайне мало - ходили слухи о каком-то таинственном свойстве янтаря.

В общем, античные атомы можно считать древнейшими предками современных элементарных частиц. Двадцатипятивековое "генеалогическое древо" - вполне достойное украшение дворца самой красивой дамы физического королевства. И все-таки трудно отделаться от впечатления, что ее каприз сыграл в появлении этого украшения не последнюю роль. Неужели предоткрытие элементарных частиц произошло так давно, когда мир еще ожидал Аристотеля, чтобы подвести итоги самого первого периода развития физики и вообще ввести в обиход ученых это замечательное слово - "физика"?

Что ж, удивление это в значительной степени справедливо. И мы попробуем убедиться в истинной глубине поставленного вопроса с помощью такого мысленного эксперимента. Пусть один из участников нашего воображаемого путешествия во времени решится на героический поступок - остаться среди современников Демокрита и объяснить им, что такое настоящие атомы и элементарные частицы. По условию эксперимента этот Просветитель (так мы будем условно обозначать смелого участника) должен использовать для своей деятельности только те приборы и материалы, которые он найдет в древнем мире, но может опираться на любые известные нам теоретические результаты и исторические факты. Что произойдет?

Наиболее вероятная схема развития событий выглядела бы так.

Просветитель может без особого труда отыскать несколько крупнейших философов ближайшего греческого полиса (так назывались сравнительно большие города) и даже собрать их вместе. Ученые мужи с уважением и вниманием заслушают сладкозвучные речи иноземца, с любопытством станут взирать на странные картинки, которые Просветитель рисует на влажном песке.

Его выслушают до конца, ему зададут множество вопросов. Где он видел удивительные светящиеся сосуды? Какую форму и цвет имеют эти самые янтарные частички ("электрон" по-гречески - янтарь)? Горячие они или холодные? И наконец, последует главный вопрос: можно ли все-таки на них взглянуть или как-то их пощупать?.. В общем, слова словами, а где же, уважаемый иноземец, твои истинные атомы? Просветитель, конечно, пообещает в ближайшее время показать почтенному собранию опыты, которые покажутся абсолютно доказательными и т. д. и т. п. И, как говорится, на том, ко всеобщему удовольствию, и расстанутся.

Пройдет совсем немного времени, и Просветитель с ужасом поймет, что никаких настоящих демонстраций провести ему так и не удастся. Повторить известные ему эксперименты по установлению природы, например, тех же катодных лучей вроде бы и несложно. Да вот незадача - надо сначала открыть рецепт стекла, научиться стеклодувному делу, изобрести насосы для создания хорошего вакуума, придумать схему работы с электрическим и магнитным полями. Даже минимальный вариант - показать какую-нибудь далеко не элементарную, а просто не видимую невооруженным взглядом частичку - и то не проходит: где взять оптические линзы для микроскопа? Короче говоря, смелый Просветитель на собственном опыте убедится в колоссальной разнице технического уровня двух эпох. А если бы мы сделали условия мысленного эксперимента еще более реалистичными и запретили бы Просветителю пользоваться всеми знаниями о промежуточных этапах теории, ему пришлось бы заново открывать законы механики, электричества и магнетизма, физики газов, оптики - практически все те законы, на которые опирались первооткрыватели элементарных частиц в процессе постановки экспериментов, создания необходимых приборов и интерпретации результатов

А теперь нетрудно сообразить, что во время второй встречи с собранием мудрейших мужей Просветитель вынужден был бы ограничиться лишь немногими доступными ему средствами, и вряд ли его сведения добавили бы что-нибудь существенное к Демокритовым аргументам в пользу атомов Не исключено, что настоящее имя Просветителя попало бы впоследствии на первые страницы учебников по истории физики как имя выдающегося проповедника ранних атомистических гипотез Но разве этого он добивался! Однако для нас итоги мысленного эксперимента вполне удовлетворительны, а истолковать их можно следующим образом

Никакого предоткрытия двадцатипятивековой давности, разумеется, не было. Атомистические гипотезы тех времен не были, и что еще важнее, не могли быть включены в существовавшую тогда систему естественнонаучного знания. Выражаясь словами современных науковедов, научно-технический потенциал античного мира не позволял совершить такое включение. Поэтому ни Левкипп, ни Демокрит, ни другие античные атомисты не предсказывали и не могли предсказать существования тех атомов и элементарных частиц, которые были открыты в процессе развития науки; в противном случае мы вынуждены были бы приписать им собственные мысли, нарушить правила пользования "призмой времен". И все-таки факт остается фактом - атомы присутствовали в картине мира древних греков. В чем же здесь дело, нет ли противоречия? Чтобы ответить на этот вопрос, следует обратить внимание вот на какое обстоятельство.

В античной науке была чрезвычайно ярко выражена своеобразная тенденция синтезировать знания, предельно широко охватывать мир единой совокупностью представлений. Конечно, во многих случаях не хватало конкретных данных, не были еще установлены те тысячи и тысячи частных закономерностей, которые по современным представлениям лежат в фундаменте научной картины мира. И все же, несмотря на это, всякий мало-мальски уважающий себя ученый тех времен, можно сказать, стеснялся не ответить на какой-либо вопрос о природе явлений. Научные традиции заставляли мыслителей античности выстраивать грандиозные умозрительные модели мироздания, объясняя все и вся единым и непротиворечивым образом. Ясно, что в такой ситуации нехватка конкретных знаний по тем или иным вопросам должна была заменяться изрядным количеством правдоподобных домыслов. Очень часто красота и общность умозрительных построений играли в дискуссиях гораздо большую роль, нежели скрупулезное сопоставление с опытными данными. Наука, как знание, пропущенное сквозь строжайшие экспериментальные фильтры, наука в ее современном понимании была еще впереди.

Естественнонаучные знания древних времен, не только добытые опытным путем, но и домысленные, входили в состав прародительницы всех современных наук - философии. Именно философия и пыталась воссоздать единую картину мира; и в этой картине нередко причудливым (для нас!) образом переплетались собственно научные данные, элементы искусства, логические упражнения и практические рецепты. Однако создание пусть не полностью достоверной, но единой копилки разнообразного опыта было совершенно необходимым делом делом, которое стало одним из важнейших буквально с первых мгновений существования рода человеческого.

Человек, в биологическом отношении такое же примерно существо, как и мы с вами, появился около миллиона лет назад. Появился и стал создавать общее представление об окружающем мире, о своих собратьях, о себе самом. Любое явление, имело оно правильное объяснение или нет, должно было войти в "научную картину" нашего далекого пращура. Ему было ничуть не легче от того, что, скажем, голодный тигр сидит в засаде, повинуясь рефлекторно закрепленному инстинкту охоты, а боевой клич громадной обезьяны связан с зачатками второй сигнальной системы... И, не дожидаясь строгих научных заключений, в картину мира первочеловека входило представление о таинственной, всюду подстерегающей его злой силе - безусловно, наивное, но неоценимо полезное представление, заставляющее "держать ухо востро". Ведь за каждую неверно истолкованную частность приходилось, как правило, платить самой дорогой ценой - жизнью.

Таковы, в общих чертах, глубокие корни нашей тяги к намного опережающим время сверхобобщениям. Атомы древних греков - один из замечательных примеров на эту тему Они являются своеобразными логическими конструкциями, с помощью которых античные философы достраивали свою картину мира, в частности, докомплектовывали свои представления о структуре вещества.

МАРШРУТ № 2. КВАНТОВАННЫЙ МИР

Обозначим сразу же цель нашего второго путешествия. В начале 20-х годов французский физик Луи де Бройль сделал удивительное предсказание - любые объекты должны вести себя подобно волне, причем чем меньше масса объекта, тем легче проявляются его волновые свойства. Отсюда, в частности, следовало, что уже доступными к тому времени средствами экспериментаторы могут зарегистрировать волновую картину рассеяния электронов, самых легких среди всех частиц, обладающих массой.

Итак, менее чем через три десятилетия после, казалось бы, четкого доказательства корпускулярной природы элементарных электрических зарядов появилась идея о том, что электроны должны вести себя как типичные волны, наподобие электромагнитных. Более того, гипотеза Л. де Бройля оказалась самым настоящим предоткрытием - она сыграла исключительно важную роль в развитии теории и через несколько лет получила блестящее экспериментальное подтверждение.

Как представляли себе физики элементарную частицу, например, электрон, в начале нашего века? Считалось, что это шарик из какого-то необычного насыщенного электричеством вещества, имеющий размер порядка 10-13 сантиметра. Конечно, экспериментаторы того времени не имели возможности видеть столь малые расстояния непосредственно, однако указанное значение размера могло быть вычислено на основе классической электродинамики, и его назвали "классическим радиусом" электрона. Попытки исследовать поведение вещества в областях пространства с меньшими размерами наталкивались на непреодолимые трудности. Поэтому уже тогда многие физики считали "классический радиус" своеобразным барьером, за которым должны вступить в игру совершенно новые законы природы.

Такая наглядная (отвлекаясь, разумеется, от невообразимо малых масштабов!) модель электрона представлялась неудовлетворительной опять-таки по весьма наглядным причинам Неприятности начинались уже в тот момент, когда кто-нибудь пытался продвинуться хотя бы на шаг дальше и ответить на вопрос: "Каковы же свойства вещества, из которого состоит элементарный электрический заряд?"

Предположим, например, что электрон представляет собой упругий шарик, способный сжиматься или расширяться,- вообще, деформироваться под действием внешних сил, нечто вроде теннисного мячика, уменьшенного в тысячи миллиардов раз! Но в таком случае весь опыт развития физики подсказывает, что само "электронное вещество" должно обладать какой-то внутренней структурой Действительно, откуда берутся замечательные упругие свойства того же самого теннисного мячика? В тот момент, когда он ударяется, например, о землю, молекулы образующего его вещества испытывают некоторую деформацию, но стремятся немедленно возвратиться к исходному состоянию, и мяч резко отскакивает. Иными словами, упругость связана с определенной молекулярной структурой - взаимным расположением молекул и величиной силы, связывающей эти микрообъекты между собой. Если великий И. Ньютон мог исследовать законы соударения упругих бильярдных шаров, не углубляясь в проблему их атомно-молекулярного строения, и выводить отсюда важные законы механики, то в начале нашего века такая точка зрения уже не могла удовлетворить исследователей Тем более, если речь шла об электроне! Его упругие свойства, несомненно, требовали объяснения, то есть в конечном счете нужны были дополнительные предположения о его внутренней структуре. Таким образом, представление об упругом электроне-шарике неизбежно вело к идеям о существовании каких-то более мелких частиц, из которых построено "электронное вещество". Но ведь и те, более мелкие частицы будут построены из еще более мелких частиц и т д. и т. п. И нет ничего скучнее такой бесконечной повторяемости одного и того же приема постижения реальности!

А что, если одним махом покончить с этой повторяемостью уже на уровне электрона? Что, если объявить его истинно элементарной частицей, тем самым "атомом" в буквальном смысле слова, как его понимали древние греки?

Посмотрим, какие проблемы возникнут в этом случае.

С точки зрения физики можно вообразить идеальный "неделимый" объект, не подверженный никаким деформациям. Он известен под названием "абсолютно твердого тела". Такое представление довольно полезно в механике, где изучается движение больших тел, но, разумеется, это типичное упрощение, пригодное для определенного, ограниченного круга задач. В реальное существование тел, которые никаким воздействием нельзя ни растянуть, ни сжать, ни расщепить на части, трудно поверить, - попросту говоря, науке неизвестны такие примеры. Но отсутствие примера - еще не достаточный аргумент против "абсолютно твердого" электрона. А вдруг именно электрон и представляет собой первый случай диковинного объекта?

Однако и в таком варианте мы сталкиваемся с серьезными затруднениями. В физике хорошо известен такой закон: чем тверже тело, тем быстрее в нем распространяется звук. В воде - намного быстрей, чем в воздухе, в металле намного быстрей, чем в воде и так далее... В конце концов, получается так, что в "абсолютно твердом теле" звук должен распространяться с бесконечной скоростью. Таким образом, звуковой сигнал проходил бы сквозь "абсолютно твердый" электрон-шарик мгновенно. Этот воображаемый факт не нарушает никаких правил обычной механики от Ньютона, но находится в непримиримом противоречии с электродинамикой, основанной на уравнениях Максвелла.

Последняя, казалось бы, довольно абстрактная проблема послужила отправной точкой для второй уже упомянутой статьи А. Эйнштейна в 1905 году. А. Эйнштейн предположил, что никакое движение или взаимодействие - вообще, несущий информацию сигнал - не могут распространяться быстрее света в пустоте. Это ограничение потребовало серьезного пересмотра основ механики, а впоследствии и физики в целом. Предположение А. Эйнштейна стало одним из краеугольных камней так называемой специальной теории относительности одного из красивейших достижений научной мысли XX века. Механика частиц, построенная на основе теории относительности, стала называться релятивистской. Важнейшим ее достоинством как раз и оказалось хорошее согласование с электродинамикой.

Не останавливаясь на обосновании теории относительности, мы будем использовать два важных факта, следующих из нее. С первым мы уже знакомы это ограничение на скорость распространения любых сигналов: она не может превышать скорость распространения света в пустоте. Второй факт состоит в том, что масса тела, движущегося по законам теории относительности, должна возрастать по мере того, как скорость движения тела приближается к предельной, то есть к скорости света. Поэтому частица, обладающая массой, практически никогда не может достичь предельной скорости, в этом случае она обладала бы бесконечно большой массой.

Итак, гипотеза "абсолютно твердого" электрона вступила в конфликт с релятивистской механикой. Сквозь шарик размером порядка 10-13 сантиметра ни один сигнал не может проходить быстрее, чем за время порядка 10-23 секунды. Это чрезвычайно малый промежуток времени, но он не равен нулю! Поэтому мы не имеем права говорить об "абсолютной твердости" электронного вещества - оно поневоле должно обладать некоторой упругостью. Но, как мы помним, с упругим электроном-шариком тоже возникают немалые проблемы - необходимо объяснить природу упругого материала, из которого сделан электрон...

До сих пор мы обсуждали причины неудовлетворительности классической теории электрона с позиций классических же представлений. Старая концепция оказалась внутренне противоречивой, и появление теории относительности лишь подчеркнуло ее трудности. Многие физики того времени все еще питали надежды на светлое будущее модели электрона-шарика, полагая, что новые гипотезы о природе образующего микрочастицу вещества помогут спасти положение. Между тем эта модель уже завершала свой "круг почета", чтобы навсегда покинуть арену главных научных событий и занять достойное место в архиве замечательных физических теорий. А на смену ей выходили новые представления и законы квантовой физики...

В 1913 году датский физик Н. Бор предложил новую теорию атома. В ней на долю электрона выпала тяжкая судьба главного ниспровергателя обычных понятий о движении.

Н. Бор исходил из резерфордовских представлений о структуре атомов. Как вы помните, Э. Резерфорд пришел к заключению о планетарном строении атома вокруг центрального ядра должны каким-то образом вращаться электроны. Каким-то? Вот именно, каким? На этот вопрос и попытался ответить молодой датский физик.

Дело в том, что аналогия между планетной системой и атомом хороша лишь до определенного предела. Электроны, как известно, несут электрические заряды и, двигаясь вокруг сильно заряженного ядра по круговым или почти круговым орбитам, неизбежно имеют некоторое ускорение (ускорение равно нулю только в случае прямолинейного и равномерного движения!). А ускоряемый заряд имеет "неприятное" свойство - он обязательно излучает электромагнитные волны. Поскольку волны обязательно уносят какую-то энергию, электрон ее должен терять - ведь полная энергия обязательно сохраняется! Но рано или поздно электрон потеряет всю свою энергию, как говорится, высветится, и непременно упадет на ядро. Самое любопытное состоит в том, что произойти это должно чрезвычайно быстро - всеобщая катастрофическая вспышка, и никаких атомов! Необычайно унылая картина предстала бы перед нашим взором: нет привычного нам вещества, не говоря уж о живых существах, а следовательно, и наблюдать эту противную ситуацию вроде бы некому. Но ведь и обычное вещество и, наконец, мы с вами существуем. Где же противоречие?

Чтобы все-таки согласовать резерфордовскую структуру атомов с бесспорным фактом существования столь милой нашему сердцу атомно-молекулярной вселенной, Н. Бор пошел на героический шаг - он просто запретил электронам непрерывно излучать электромагнитные волны. Он предположил, что электроны должны находиться на некоторых строго определенных орбитах и, двигаясь по этим орбитам, никогда не теряют энергию. Излучение же происходит тогда и только тогда, когда электрону "вздумается" перескочить с одной орбиты на другую.

Но каждая строго определенная орбита соответствует и строго определенному значению энергии электрона. Поэтому при перескоке с одной орбиты на другую электрон может излучить или поглотить тоже строго определенную порцию энергии. Эта порция, очевидно, равна разности между начальным и конечным значениями энергии, которые электрон должен иметь на соответствующих орбитах.

Таким образом, электрон поглощает или теряет энергию только порциями, или квантами. Но ведь, скажем, потери происходят из-за излучения электромагнитного поля! Значит, все будет вполне "увязано", если предположить, что и само электромагнитное излучение происходит только определенными порциями, то есть принять уже знакомую нам эйнштейновскую гипотезу об излучении как потоке порций света, световых квантов-фотонов Именно так и поступил Н. Бор.

Далее, он использовал эйнштейновскую связь между энергией фотона и частотой и пришел к выводу, что частоты фотонов, которые способен излучать атом, имеют также строго определенные значения. Этот результат превосходно соответствовал многолетним наблюдениям экспериментаторов, изучавших спектры излучения и поглощения различных атомов, и указывал на удивительную закономерность появления полос, соответствующих некоторым строго определенным значениям частоты.

Однако успех боровской модели в объяснении экспериментальных данных был куплен дорогой ценой. Но такова уж, вероятно, судьба всех великих идей - они редко появляются только для того, чтобы просто заделать мелкие огрехи на поле существующей теории. Гораздо чаще старая теория вообще остается без пышных одежд и живет лишь до тех пор, пока кто-нибудь не шепнет знаменитые слова: "А король-то голый".

Запрещая непрерывное излучение, Н. Бор фактически запретил и непрерывное движение электрона. И именно поэтому его идеи вызвали целый шквал дискуссий. Еще бы! Ведь гениальный датчанин поставил под удар "святая святых" классической физики - представление о непрерывном движении. Вместо ясных траекторий в пространстве появились какие-то скачки между различными орбитами, кое-кто уже и непрочь был пофантазировать: а вдруг электрон вообще выскакивает из обычного пространства и времени...

Теория Н. Бора бросала смелый вызов всей физической теории в целом. На стороне квантовой модели атома были только экспериментальные данные, которые она объясняла, да, пожалуй, единственная теоретическая модель световых квантов. Сам же А. Эйнштейн, заслуживший к тому времени славу главного "крушителя основ", оказался в числе наиболее активных оппонентов Н. Бора. Не столь уже редкий случай, когда концепция и ее творец становятся по разные стороны баррикад...

В конечном счете, дискуссии показали, что теория Н. Бора стоит вне конкуренции в описании атомных экспериментов, но практически ни один из крупнейших теоретиков не был удовлетворен обоснованием квантовой картины.

Первый фундамент под квантовую модель атома как раз и был подведен в работах тридцатилетнего Л. де Бройля, выполненных в 1923 году и включенных в его докторскую диссертацию. История вряд ли сумеет назвать еще одного столь же дерзкого претендента на ученую степень. Достаточно сказать, что А. Эйнштейн - едва ли не единственный физик, сразу почувствовавший преобразующую силу дебройлевских идей, - рекомендовал прочесть диссертацию М. Борну, охарактеризовав ее как "солидно написанный труд сумасшедшего"!

Гипотеза Л. де Бройля интересна и поучительна и в ином отношении. Она представляет собой удивительно ясный пример плодотворнейшего использования аналогий. Молодой исследователь исходил из того, что строго определенные значения частот получаются в боровской модели слишком искусственным путем. К обычной механике движения тел по орбитам добавляется специальное правило "допустимых орбит", между которыми электроны могут совершать перескоки. А нельзя ли получить тот же самый результат более естественным способом?

Л. де Бройль начинает свое построение с очень интересного мысленного опыта. Давайте предположим, говорит он, что фотон, эйнштейновский квант электромагнитного поля, имеет чрезвычайно малую, но не нулевую массу. Обычно в теории считают, что это не так и масса фотона строго равна нулю. Но ведь ее можно сделать (мысленно!) настолько малой, что никаким известным экспериментам это не будет противоречить.

После этого Л. де Бройль напоминает о двойственной природе электромагнитного поля. Если масса фотона настолько мала, что ее нельзя заметить в эксперименте, то очевидно, нельзя и заметить какие-либо изменения и в известных волновых свойствах электромагнитного поля. Таким образом, делает вывод молодой физик, наличие у частицы массы не исключает в принципе и проявления ее волновых свойств.

Теперь Л. де Бройль делает чрезвычайно смелый и красивый шаг по устранению несправедливости (вероятно, все шаги в этом направлении смелые и красивые, но! увы, далеко не все они достигают цели). Почему, спрашивает он, в случае электромагнитного поля мы пользуемся двумя представлениями, волнами и частицами (фотонами!), а в случае электрона - только одним: частица, и все тут? Если дело только в массе электрона, то волновые явления наблюдать будет трудней, чем в случае электромагнитного поля, но все-таки их можно увидеть!

Итак, Л. де Бройль предсказал, что электрону необходимо сопоставить волну, причем длина волны должна быть обратно пропорциональна его импульсу. Это, прежде всего, привело к очень простому и естественному объяснению загадочного устройства боровского атома.

Как вы помните, Н. Бор "разрешил" электронам двигаться, ничего не излучая, лишь по некоторым, строго определенным орбитам. Но перед физиками встал мучительный вопрос: чем, собственно говоря, выделены именно такие "допустимые орбиты" среди любых других? Неужели, недоумевали теоретики, за боровскими правилами определения этих орбит не скрывается какое-то глубокое свойство электронов, ясный физический образ, который помог бы расшифровать столь необычные законы внутриатомного движения?

Что уж тут поделаешь! Ни в физике, ни в повседневной жизни люди не удовлетворяются сухими предписаниями типа: "то-то и то-то должно двигаться так-то и так-то". Всегда возникают вопросы: а почему именно так, а что будет, ежели по-другому?..

Возьмем совсем простой, казалось бы, пример - правила дорожного движения. На автострадах, на улицах наших городов развешаны многочисленные знаки, которые запрещают, указывают, предостерегают, предлагают... Их придумано очень много - ровно столько, сколько необходимо, чтобы сориентироваться на современных, перегруженных машинами дорогах. И трудно выучить все эти знаки просто так, не вдумываясь в их смысл, не испытав их значения на практике, сидя за рулем. Установлено, что автолюбители, сознательно изучившие роль тех или иных знаков, гораздо реже попадают в аварии, чем те, которые восприняли науку о дорожном движении как скучную приправу к заветным водительским правам. И вот, скажем, перед водителями первого и второго типа возникает знак "Обгон воспрещен!".

Первый, несомненно, послушается, даже если ему придется плестись в хвосте у неторопливого перегруженного грузовика с прицепом Он хорошо знает, что обгонять нельзя по той простой причине, что на данном участке дороги не хватит места для трех автомобилей, идущих рядом, а вероятностью появления встречной машины как раз в момент обгона не стоит пренебрегать. Второй водитель в такой же ситуации начнет лихорадочно соображать: "Эта дизельная вонючка вымотает мне все нервы. Только что я успешно совершил несколько обгонов, ширина дороги вроде бы не изменилась, инспектора нигде не видать. Была не была!" Проскочит он, может быть, разок-другой по принципу "была не была", а на третий - краткое сообщение ГАИ в вечерней газете, скромный венок от месткома... А ведь вдумайся он хоть раз в "физический смысл" запрета на обгон, ездить ему бы и ездить...

Имея в виду этот несколько грустный пример, перейдем к правилам внутриатомного движения электрона. Почему в них разрешено движение только по строго определенным воровским орбитам? Л. де Бройль ответил на этот вопрос следующим образом: вместе с электроном на орбите присутствует волна, и вот именно она может существовать только в некоторых строго определенных случаях.

Вот, оказывается, в чем суть дела! Будь электрон просто частицей, он мог бы носиться вокруг ядра на любом расстоянии. Но его неизбежно сопровождает волна, и ему приходится думать и о ее существовании. А волна, в свою очередь, "выбирает" только те орбиты, на которых она может уложиться целое число раз. Иными словами, отношение длины окружности, по которой бегает электрон, к длине сопровождающей его волны непременно должно быть целым числом. Очевидно, что орбиты, удовлетворяющие этому условию, окажутся выделенными, а на всех остальных орбитах просто не хватает места для того, чтобы "электронная волна" бежала по замкнутой окружности, уложившись в ней целое число раз.

Исходя из таких соображений, Л. де Бройль сумел объяснить закономерности расположения электронных орбит в атоме и правила, по которым атомы излучают фотоны строю определенных частот. Это был огромный, но отнюдь не главный успех молодого исследователя. Из его гипотезы следовало, что волновые свойства электронов должны проявиться и вне атомов. В частности, электроны должны были рассеиваться на достаточно малых препятствиях, подобно электромагнитным волнам, в частности, свету, образуя дифракционную картину.

Дифракция - очень интересное явление. Его обнаружение явилось в свое время решающим аргументом в пользу волновой теории света. Еще древние греки догадывались, что свет распространяется прямолинейно, от какого источника он бы ни исходил: от гигантского Солнца или от маленького костра. И. Ньютон положил этот факт в основу своей теории, считая, что свет состоит из мельчайших частичек - особых световых корпускул. С такой точки зрения легко и наглядно объясняется, например, образование тени. Скажем, в яркую, солнечную погоду многие пользуются зонтиками. Это простейшее приспособление для того, чтобы избежать чрезмерного загара; оно действует по принципу поглощения светового потока. Для световых корпускул зонтик играет роль экрана. Такова же его роль и во время дождя, когда экранируется поток дождевых капель. В первом случае зонтик отбрасывает тень на тротуар, а во втором - образуется небольшой сухой круг, в который не могут попасть капли.

Казалось бы, налицо полная аналогия между световыми и дождевыми корпускулами! Но уже довольно давно был обнаружен и один "неприятный" факт: края тени оказываются всегда несколько размытыми. При более подробном изучении рассеяния света на небольших препятствиях или при его прохождении сквозь малые отверстия физики выяснили, что свет попадает и туда, куда не должен был бы попадать ни в коем случае, будь он и в самом деле потоком ньютоновских корпускул. Скажем, проходя сквозь малое отверстие, свет оставляет на экране яркое пятно, но вокруг этого пятна появляются дополнительные кольца. Аналогичная картина возникает и в том случае, когда на пути светового луча помещается небольшой предмет - помимо главной тени, на экране образуются дополнительные затененные места.

Все эти явления нельзя понять с точки зрения модели прямолинейно распространяющихся световых корпускул. Если эта модель была бы верна, то зонтик или любой другой предмет отбрасывал бы абсолютно четкую, словно "ножом обрезанную" тень, не говоря уж о том, что не появлялись бы дополнительные кольца освещения или затенения. Зато такие эффекты легко объяснялись в волновой теории, согласно которой свет, как и всякая волна, должен был слегка огибать края препятствия, проникая в, казалось бы, запрещенную зону. Это явление и называется дифракцией.

Разумеется, видимый свет представляет собой лишь частный случай электромагнитного поля. Поля с другими характерными длинами волн радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-излучения - также способны испытывать дифракцию на различных препятствиях, однако, чтобы образовалась ясная волновая картина, необходимо ставить опыты с такими предметами или отверстиями, которые соизмеримы с длиной падающих на них волн. Это условие нетрудно выполнить, например, для радиоволн, длина которых практически заключена в интервале от долей сантиметра до сотен километров. Препятствия такого размера, как говорится, всегда под рукой. Но чем короче волны, тем труднее отыскать необходимые препятствия. Скажем, для появления хороших дифракционных картинок при рассеянии обычного видимого света приходится устраивать особые сверхтонкие решетки. Но уже для рентгеновских лучей, обладающих гораздо меньшей длиной волны, никакими механическими средствами такие решетки сделать нельзя. Как вы помните, для доказательства их волновой природы пришлось использовать естественные тончайшие структуры кристаллических решеток вещества.

Такого же рода проблемы приходилось решать и для экспериментального открытия волновых свойств электронов, предсказанных Л. де Бройлем. Физики заранее представляли себе, что длины волн в случае электронов очень малы, и только атомно-молекулярные кристаллические решетки помогут подтвердить или опровергнуть замечательную гипотезу. В этом плане поиск ответа был достаточно целенаправленным, однако "господин Счастливый Случай" и на этот раз сказал свое веское слово...

В 1928 году американские физики Ч. Дэвиссон и Л. Джермер изучали рассеяние электронов на никеле. В распределении рассеянных частиц исследователи наблюдали какие-то слабо выраженные максимумы - своеобразное усиление "засветки"; но, поскольку эффект был очень незначительным, никто не обращал на него внимания. Во время одного из экспериментов произошла неприятность - в прибор проник воздух, и никелевый образец окислился. Чтобы не терять времени на поиск нового образца чистого никеля, физики решили устранить окисную пленку, прокаливая никель в вакуумной камере.

Повторив опыт с обновленным образцом, они увидели, что максимумы стали гораздо заметней. Конечно, сначала этот факт вызвал немалое удивление, но получившееся распределение рассеянных электронов до того напоминало известные дифракционные картинки для света и рентгеновских лучей, что не оставалось и тени сомнения - открыта дифракция дебройлевских электронных волн! Прокаливание никелевого образца в вакууме оказало неоценимую услугу, так как наряду с устранением окисной пленки произошло укрупнение кристаллов никеля. Благодаря этому слабо выраженная дифракционная картина стала отчетливой, и рядовая работа привела к открытию мирового значения.

Буквально через несколько месяцев блестяще завершились эксперименты профессора Абердинского университета Дж. П. Томсона, который исследовал рассеяние электронов на тонких золотых пластинках, специально приготовленных для проверки дебройлевской гипотезы. Полученные им фотопластинки демонстрировали удивительное сходство с уже известными результатами опытов по дифракции рентгеновских лучей. Так сын (Дж. П. Томсон - сын известного "Джи-Джи") немного "подправил" открытие отца, доказав, что сторонники волновой природы катодных лучей были не так уж далеки от истины.