Краткая история почти всего на свете

Хотя Дальтон старался избегать всяческих почестей, он вопреки своему желанию был избран в Королевское общество, осыпан наградами и получил щедрую государственную пенсию. Когда в 1844 году он скончался, за гробом шли сорок тысяч людей, и похоронная процессия растянулась на две мили. Статья о нем в «Национальном биографическом словаре» — одна из самых больших и среди биографий ученых девятнадцатого века уступает по объему только статьям о Дарвине и Лайеле.

На протяжении сотни лет после того, как Дальтон изложил свои идеи, они оставались чисто гипотетическими, а некоторые видные ученые — в частности, венский физик Мах [130] , именем которого названа скорость звука, — вообще сомневался в существовании атомов. «Атомы нельзя воспринять ощущениями… они — принадлежность мысли», — писал он. Скептицизм в отношении существования атомов был настолько силен, особенно в немецкоязычном мире, что, как говорили, сыграл определенную роль в самоубийстве в 1906 году видного физика-теоретика и горячего приверженца атомов Людвига Больцмана [131] .

130

Эрнст Maх (Ernst Mach, 1838–1916) — австрийский физик и философ, изучал механизмы зрения и слуха, а также аэродинамические процессы при сверхзвуковом полете снарядов. Выдвинул гипотезу, согласно которой инертная масса возникает у тел в результате гравитационного взаимодействия со всеми другими телами во Вселенной (принцип Маха). Хотя принцип Маха не поддается экспериментальной проверке, он оказал значительное влияние на Альберта Эйнштейна, а труды Маха способствовали становлению современной философии науки.

131

Людвиг Больцман (Ludwig Eduard Boltzmann, 1844–1906) — австрийский физик, основатель статической механики и молекулярно-кинетической теории. Его имя носит постоянная в формуле для определения энтропии.

Первые неопровержимые доказательства существования атомов дал Эйнштейн в своей работе 1905 года о броуновском движении. Но она привлекла мало внимания, к тому же сам Эйнштейн был вскоре поглощен разработкой общей теории относительности. Так что первым героем «атомного века», если не главным его действующим лицом, стал Эрнест Резерфорд.

Резерфорд родился в 1871 году в новозеландской «глубинке». Его родители, эмигрировавшие из Шотландии, выращивали, перефразируя Стивена Вайнберга, «немного льна и уйму детей». Подрастая в глухом уголке далекой страны, Эрнест, как и следовало ожидать, был далек от большой науки. Но в 1895 году он получил стипендию, благодаря которой попал в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, ту самую, которая вскоре станет самой «горячей» точкой мировой физической науки.

Физики славятся пренебрежительным отношением к ученым других направлений. Великий австрийский физик Вольфганг Паули, узнав, что жена ушла от него к химику, был потрясен. «Я бы еще понял, если бы она вышла за тореадора, — удивленно заметил он приятелю. — Но за химика…»

Резерфорд, видимо, разделял эти чувства. «Вся наука делится на физику и коллекционирование марок», — заметил он однажды. С тех пор это высказывание повторялось множество раз. Поэтому присуждение ему в 1908 году Нобелевской премии в области химии, а не физики, может вызвать, как минимум, улыбку.

Резерфорду повезло — повезло, что он был гением, а еще больше, что жил в то время, когда физика и химия были такими увлекательными и так хорошо сочетались (несмотря на его собственные сантименты). Никогда больше они не будут так удачно выступать единым фронтом.

При всех своих успехах Резерфорд не обладал особо блестящим интеллектом, а с математикой у него был просто кошмар. Часто во время лекций он безнадежно путался в собственных уравнениях, так что бросал все на полпути и предлагал студентам закончить самим. По словам его давнего коллеги Джеймса Чэдвика, открывшего нейтрон, Резерфород не был особенно силен и как экспериментатор. Он просто брал упорством и широтой кругозора. Блеск ума ему заменяли проницательность и своего рода дерзость. Его ум, по словам одного из биографов, «постоянно стремился к переднему краю, каким он ему представлялся, а видел он куда дальше других». Сталкиваясь с неподатливой проблемой, он был готов работать упорнее и дольше большинства и был более восприимчив к неортодоксальным объяснениям. Его самое большое открытие пришло к нему, потому что он был готов утомительно долго просиживать у экрана, подсчитывая сцинтилляции альфа-частиц — труд, который обычно сваливали на кого-нибудь другого. Он одним из первых — возможно, самым первым — разглядел, что заключенная в атоме энергия, если ее направить по определенному руслу, может привести к созданию бомбы, достаточно мощной, чтобы «сей старый мир исчез в дыму».

Он был огромного роста и обладал зычным голосом, который пугал особо робких. Однажды, услыхав, что Резерфорд собирается выступить в радиопередаче, которая должна была транслироваться через Атлантику, один из его коллег сухо спросил: «А зачем ему радио?» Резерфорд также обладал колоссальной, правда, добродушной, самоуверенностью. Когда кто-то заметил, что он всегда оказывается на гребне волны, Резерфорд ответил: «Но волну-то в конечном счете поднимаю я, не так ли?» Ч. П. Сноу вспоминал, что как-то у портного в Кембридже он нечаянно услышал реплику Резерфорда: «Каждый день я прибавляю в весе. И в уме».

Но вес и слава в 1895 году, когда он появился в Кавендишской лаборатории*, были еще далеко впереди.

– --

* (Название происходит от тех же Кавендишей, которые дали науке Генри Кавендиша. На сей раз это был Уильям Кавендиш, седьмой герцог Девонширский, способный математик и стальной магнат викторианской Англии. В 1870 году он пожертвовал университету 6300 фунтов стерлингов на создание экспериментальной лаборатории).

То был особенно богатый научными событиями период. В год приезда Резерфорда в Кембридж в Германии, в Вюрцбургском университете Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи; в следующем году Анри Беккерель открыл радиоактивность. А для самой Кавендишской лаборатории наступало время величия. В 1897 году Дж. Дж. Томсон с коллегами откроют там электрон, в 1911 году Ч. Т. Р. Вильсон изобретет первый детектор заряженных частиц (об этом ниже), а в 1932 году Джеймс Чэдвик все там же откроет нейтрон. Еще позднее, в 1953 году, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик создадут в Кавендишской лаборатории структурную модель молекулы ДНК.

Сначала Резерфорд работал с радиоволнами, и небезуспешно — ему удалось передать четкий сигнал на расстояние более мили; очень неплохое достижение для того времени, но он оставил эту тему, когда один из старших коллег убедил его, что у радио нет большого будущего. Да и вообще Резерфорд не очень преуспевал в Кавендишской лаборатории и через три года, не видя перспектив, занял должность в Макгилльском университете в Монреале, откуда началось его долгое и неуклонное восхождение к вершинам славы. К моменту получения Нобелевской премии (согласно официальной формулировке, за «исследования в области расщепления элементов и химии радиоактивных веществ») он уже работал в Манчестерском университете и, фактически, там и проделал самые важные работы по определению строения и природы атома.

К началу XX века было уже известно, что атомы состоят из частей, — это было установлено в результате открытия Томсоном электрона. Но тогда еще не знали, из какого количества частей состоит атом, как они крепятся друг к другу и какую форму принимают. Некоторые физики думали, что атомы имеют форму куба, потому что куб можно сложить таким образом, чтобы не оставалось пустого пространства. Правда, более общепринятым было представление об атоме, похожем на булочку с изюмом: что это плотный, положительно заряженный предмет, напичканный, как изюмом, отрицательно заряженными электронами.

В 1910 году Резерфорд (при участии своего студента Ханса Гейгера, который позднее изобрел детектор радиоактивности, носящий его имя) обстрелял листок золотой фольги ионизированными атомами гелия, иначе альфа-частицами*.

– --

* (Гейгер позднее станет убежденным нацистом, без колебаний выдававшим коллег-евреев, включая многих, прежде оказывавших ему помощь).

К удивлению Резерфорда, некоторые частицы отскакивали назад. Словно, по его словам, он выстрелил 15-дюймовым снарядом в лист бумаги, а снаряд отскочил ему на колени. Возможность такого явления было невозможно предположить. После долгих размышлений он нашел единственно возможное объяснение: частицы отскакивали, сталкиваясь с чем-то очень малым и плотным в сердцевине атома, тогда как другие частицы беспрепятственно пролетали сквозь лист. Атом, догадался Резерфорд, это в основном пустое пространство с очень плотным ядром в центре. Это было весьма обнадеживающее открытие, но оно сразу ставило одну проблему. По всем законам традиционной физики атомы в таком случае не должны были существовать.

Прервемся на минутку и рассмотрим строение атома, как оно представляется теперь. Каждый атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, несущих положительный электрический заряд, отрицательно заряженных электронов и нейтронов, которые не несут никакого заряда. Протоны и нейтроны плотно упакованы в ядро, а электроны обращаются вокруг него. Химическую индивидуальность дает атомам количество протонов. Атом с одним протоном — это атом водорода, с двумя — атом гелия, с тремя — лития и так далее по таблице. Добавляя протон, вы каждый раз получаете новый элемент. (Ввиду того, что число протонов в атоме всегда уравновешивается равным числом электронов, иногда можно прочесть, что элемент определяется количеством электронов, что, в сущности, одно и то же. Как мне объяснили, протоны придают атому индивидуальность, а электроны определяют его личность.)

Нейтроны не влияют на идентичность атома, но увеличивают его массу. Число нейтронов обычно примерно такое же, как и протонов, хотя может несколько отличаться в ту или иную сторону. Добавьте или убавьте нейтрон-другой, и вы получите изотоп. Обозначения, которые вы встречаете в связи с датированием пород в археологии, относятся к изотопам, например, термин «углерод-14» означает атом углерода с 6 протонами и 8 нейтронами (в сумме получается 14).

Нейтроны и протоны занимают ядро атома. Оно совсем крошечное — всего одна миллионная миллиардной части полного объема атома, — но фантастически плотное, поскольку содержит практически всю массу атома. Как писал Кроппер, если атом увеличить до размеров собора, ядро будет всего лишь размером с муху, но эта муха будет во много тысяч раз тяжелее собора. Именно эта обширность, эта невообразимая, потрясающая вместительность атома заставили Резерфорда в 1910 году чесать в затылке.