Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

Кумар Манжит

Резерфорд, четвертый из двенадцати детей в семье, родился 30 августа 1871 года в Новой Зеландии, в деревянном домишке в поселке Спринг-Грув на севере Южного острова. Его мать была учительницей, отец — строительным рабочим. Джеймс и Марта Резерфорд делали все возможное для достижения их детьми того, что позволят им талант и удача. Шансом для Эрнеста оказались стипендии, благодаря которым он смог продолжать образование. Они в итоге и привели его на другой конец света — в Кембридж.

В октябре 1895 года, когда Резерфорд явился в Кавендишскую лабораторию, чтобы работать под началом Томсона, он вовсе не был тем жизнерадостным и уверенным в себе человеком, каким стал спустя несколько лет. Трансформация началась после того, как он продолжил начатую в Новой

Зеландии работу по детектированию “беспроводных” волн (позднее их назвали радиоволнами). Резерфорду потребовалось всего несколько месяцев, чтобы усовершенствовать детектор. Он подумывал о том, чтобы заработать, но вовремя понял, что в научной среде, где патенты были редкостью, попытка использовать разработки ради корысти может повредить репутации. Никогда, даже после того, как Гульельмо Маркони заработал состояние, Резерфорд не сожалел, что забросил свой детектор. А ведь состояние Маркони могло бы принадлежать Резерфорду, если бы открытие, ставшее главной новостью мировой прессы, было сделано с помощью его детектора.

Восьмого ноября 1895 года Вильгельм Рентген обнаружил, что при пропускании тока высокого напряжения через стеклянную вакуумную трубку некое излучение вызывает свечение небольшого бумажного экрана, покрытого платино-цианистым барием. Позднее, когда пятидесятилетнего профессора физики Вюрцбургского университета спрашивали, о чем он думал, когда открыл загадочные лучи, Рентген ответил: “Я не думал, а исследовал”²⁵. Почти шесть недель он раз за разом повторял “один и тот же эксперимент, чтобы окончательно убедиться, что лучи действительно существуют”²⁶. Опыты подтвердили, что источником странного излучения, вызывающего флуоресценцию, была трубка²⁷.

Рентген попросил свою жену Берту положить руку на фотопластинку и направил на нее “X-лучи” — так он назвал неизвестное излучение. Через пятнадцать минут Рентген осмотрел пластинку. Берта испугалась, увидев очертания костей, двух колец и темное пятно на месте руки. Первого января 1896 года Рентген разослал копии своей работы “Новый тип лучей” с фотографиями гирь в ящике и костей руки Берты ведущим физикам Германии и всего мира. Новость об открытии Рентгена и его удивительных фотографиях распространилась молниеносно. Через несколько дней об “X-лучах” узнали все. Фотографии кисти Берты обошли все газеты мира. О таинственных лучах за год было опубликовано сорок девять книг и тысячи научных и научно-популярных статей²⁸.

Томсон приступил к изучению X-лучей еще до того, как 23 января в еженедельном научном журнале “Нейчур” появился английский перевод статьи Рентгена. Тогда Томсон занимался исследованием электропроводности газов. X-лучи привлекли его внимание, когда он услышал, что они делают газ проводником. Томсон быстро проверил это утверждение и попросил Резерфорда помочь ему выяснить, что происходит с газом при прохождении X-лучей. По результатам этой работы Резерфорд в следующие два года опубликовал четыре статьи, которые принесли ему международную известность. Первую Томсон предварил небольшим введением, в котором высказал предположение, что, как и свет, X-лучи являются формой электромагнитного излучения. Это предположение подтвердилось позднее.

Пока Резерфорд ставил свои опыты, француз Анри Беккерель искал ответ на вопрос, испускают ли X-лучи и светящиеся в темноте фосфоресцирующие вещества. Вместо этого он обнаружил излучение соединений урана (независимо от того, фосфоресцируют они или нет). Сообщение Беккереля об открытии “урановых лучей” осталось почти незамеченным. Считалось, что такие лучи могут испускать только соединения урана, и поэтому они мало кого заинтересовали. Среди этих немногих оказался Резерфорд: он собрался выяснить, влияют ли эти лучи на электропроводность газов. Позднее ученый говорил, что это было самым важным решением за всю его жизнь.

Резерфорд исследовал глубину проникновения урановых лучей, используя очень тонкие слои фольги из “голландского металла” — сплава меди с цинком. Оказалось, что интенсивность прошедшего излучения зависит от числа слоев фольги.

Сначала при увеличении их числа интенсивность падала, затем добавление новых слоев практически не влияло на ее величину, однако потом интенсивность удивительным образом опять начинала уменьшаться. Повторив эксперименты с фольгой из разных материалов, Резерфорд отметил тот же эффект. Он смог предложить лишь одно объяснение: существуют два типа излучения — Резерфорд назвал его альфа- и бета-лучами.

Когда немецкий физик Герхард Шмидт объявил, что торий и его соединения тоже испускают излучение, Резерфорд сравнил их с альфа- и бета-лучами. Он обнаружил, что излучение тория мощнее, и пришел к выводу, что в этом случае “присутствуют более проникающие лучи”²⁹, позднее названные гамма-лучами³⁰. Мария Кюри ввела термин “радиоактивность” для описания процесса излучения и назвала вещества, испускающие “беккерелевские лучи”, радиоактивными. Она считала, что поскольку радиоактивность наблюдается не только у урана, это явление должно быть связано с атомами. Уверенность в этом позволила Марии Кюри и ее мужу Пьеру открыть такие радиоактивные элементы, как радий и полоний.

В апреле 1898 года, когда в Париже вышла первая работа супругов Кюри, Резерфорд узнал, что в Университете Мак-Гилла в Монреале объявлен конкурс на замещение должности профессора физики. Хотя благодаря работам по радиоактивности он уже был признанным авторитетом, Резерфорд мало надеялся на успех, несмотря на рекомендацию Томсона: “У меня никогда не было столь преданного работе и самостоятельного ученика, как мистер Резерфорд. Я уверен, что если он получит это место, ему удастся создать в Монреале блестящую физическую школу... Считаю, что для любого университета было бы большой удачей иметь возможность предоставить мистеру Резерфорду место профессора физики”³¹. В конце сентября двадцатисемилетний Резерфорд приехал в Монреаль. Там он провел следующие девять лет.

Резерфорд, покидая Англию, уже знал, что “от него ожидают большого числа новых работ и создания научной школы, способной посрамить янки”³². С этой задачей он справился. Первое открытие, сделанное Резерфордом в Канаде, касалось радиоактивности тория. Ученый показал, что в течение минуты она уменьшается в два раза, затем еще в два раза за следующую минуту. Через восемь минут интенсивность радиоактивного излучения уменьшается в восемь раз относительно исходного значения³³. Описывая закон уменьшения радиоактивности в зависимости от времени, Резерфорд ввел понятие периода полураспада, то есть времени, которое необходимо, чтобы интенсивность радиоактивного излучения уменьшилась вдвое. А затем последовало открытие, которое принесло ему место профессора в Манчестере и Нобелевскую премию.

В октябре 1901 года Эрнест Резерфорд и двадцатипятилетний английский химик Фредерик Содди, живший в Монреале, начали совместно исследовать радиоактивность тория. Вскоре они поняли, что торий, вероятно, превращается в другой элемент. Содди вспоминал, как он остолбенел и у него вырвалось: “Это же трансмутация”. “Ради всего святого, Содди, не называйте это трансмутацией, — воскликнул Резерфорд. — Нас распнут как алхимиков”³⁴.

Однако скоро они оба убедились, что на самом деле радиоактивность представляет собой превращение одного элемента в другой за счет испускания излучения. Сначала их еретическую теорию восприняли очень скептически, но экспериментальные данные оказались решающими. Критикам пришлось отказаться от столь милого всем представления об устойчивости материи. Это уже была не мечта алхимиков, а научно установленный факт: все радиоактивные элементы самопроизвольно превращаются в другие элементы, а период полураспада — это время, которое требуется для того, чтобы половина атомов претерпела такое превращение.