Прямоходящие мыслители. Путь человека от обитания на деревьях до постижения миро устройства
Шрифт:
Резерфорд предполагал, что тяжелые, положительно заряженные альфа-частицы по большей части будут пролетать сквозь фольгу в зазорах между атомами золота слишком далеко от них, и потому искривление траектории будет незаметно. Однако некоторые, рассуждал он, все же пролетят сквозь один или даже несколько атомов и потому отклонятся – самую малость – от прямой, из-за отталкивания их рассеянного положительного заряда. Эксперимент в целом, несомненно, прояснит устройство атома, но скорее благодаря чистой удаче, нежели в соответствии с тем, как Резерфорд его замыслил.
Поначалу все данные, собранные Гейгером, соответствовали ожиданиям Резерфорда и совпадали с моделью Томсона. Но однажды в 1909 году Гейгер предложил «небольшое исследование» юному студенту Эрнесту Марсдену – просто чтоб пороху нюхнул. Резерфорд, сидя на занятиях по теории
Марсден принялся искать частицы, отклонявшиеся в полете от прямой сильнее, чем до него искал Гейгер, – даже с таким большим углом отклонения, что, окажись это правдой, нарушило бы всё, что Резерфорд «знал» об устройстве атома. Задача, по мнению Резерфорда, почти точно равнялась колоссальной потере времени. Иными словами, отличная для студиозуса задачка.
Марсден прилежно следил, как альфа-частицы одна за другой пролетали сквозь фольгу в полном соответствии с ожиданиями, без всяких резких отклонений. И тут случилось нечто практически невообразимое: на экране, расположенном сильно в стороне, возникла вспышка. В конце концов из многих тысяч альфа-частиц, которые пронаблюдал Марсден, лишь горстка отклонилась под большими углами, а парочка отлетела назад, почти как бумеранг. Этого было достаточно.
Услыхав эти новости, Резерфорд сказал, что это «едва ли не самое невероятное событие в моей жизни. Это почти так же невероятно, как стрелять 15-дюймовыми снарядами по бумажной салфетке и получать их рикошетом назад» [362] . Такой отзыв объясняется вот чем: вся его математика говорила ему, что должно быть в золотой фольге нечто немыслимо крошечное и мощное, чтобы возникали, пусть и редко, столь сильные отклонения в траектории. Вот так Резерфорд не прояснил модель Томсона – он установил, что модель Томсона ошибочна.
362
William H. Cropper, Great Physicists: The Life and Times of Leading Physicists from Galileo to Hawking (Oxford: Oxford University Press, 2001), стр. 317.
Эксперимент Резерфорда с золотой фольгой
Перед проведением эксперимента Марсденом весь этот проект казался несуразным – вроде той деятельности, от которой меня отговаривал Фейнман. Однако в течение века, последовавшего за этим экспериментом, его возносили как гениальный. И, разумеется, без него вряд ли возник бы «атом Бора», а это значит, что и непротиворечивая теория кванта возникла бы – если бы вообще возникла – на много лет позже. Что, в свою очередь, сильно повлияло бы на наш так называемый технический прогресс. Уж точно отсрочилась бы разработка атомной бомбы, а значит, ее не сбросили бы на Японию и тем спасли жизни многим-многим невинным японским гражданам, но, возможно, это стоило бы жизней многих-многих солдат, которые сгинули бы при вторжении союзников. Отложились бы многие другие изобретения – транзистор, например, а без него не началась бы компьютерная эра. Трудно в точности оценить все последствия, если бы тот единственный, с виду бессмысленный студенческий эксперимент не состоялся, но можно с уверенностью говорить, что мир сегодня выглядел бы несколько иначе. И вновь мы видим тонкую грань между странноватым чокнутым проектом и новаторской мыслью, которая меняет всё.
В дальнейшем Резерфорд курировал много других экспериментов, в которых Гейгер и Марсден пронаблюдали более миллиона вспышек. На собранных данных он составил свою теорию устройства атома, отличную от Томсоновой, но она все еще описывала электроны как обращающиеся по концентрическим орбитам тела, однако положительный заряд более не был рассеян, а наоборот – собран в крошечном центре атома. Гейгер с Марсденом, впрочем, вскоре каждый пошли своей дорогой [363] .
363
Подробнее о Гейгере см. Jeremy Bernstein, Nuclear Weapons: What You Need to Know (Cambridge, U.K.: Cambridge University Press, 2008), стр. 19–20; Diana Preston, Before the Fallout: From Marie Curie to Hiroshima (New York: Bloomsbury, 2009), стр. 157–158.
Атом Резерфорда – модель, которой нас учат в средней школе: электроны вращаются вокруг ядра, как планеты – вокруг Солнца. Как и многие научные представления, это, если свести его к повседневным похожим примерам вроде школьного, смотрится неприхотливо, однако подлинная гениальность этой модели – именно в «технических» затейливостях, утерянных при усушке и утруске, неизбежных при составлении простых схем. Интуитивная картинка – вещь полезная, однако любую мысль в физике делают жизненной математические следствия. И потому физик должен быть не просто мечтателем, но и техником.
Предсказанное отклонение альфа-частиц: по Томсону (слева) и по Резерфорду (справа)
Резерфорду-мечтателю эксперимент подсказал, что львиная доля массы атома и весь его положительный заряд должны быть сосредоточены в центре его, в невероятно крошечном шарике заряженной материи, настолько плотной, что одна чашка ее будет весить в сто раз больше Эвереста [364] . (То, что ни вы, ни я и близко не такие тяжелые, – подтверждение факта, что ядро есть малюсенькая точка в центре атома, который в основном – пустое пространство.) Позднее Резерфорд назовет эту центральную часть атома ядром.
364
Вообще-то, содержимое чашки будет весить сто миллиардов тонн, а масса Эвереста – всего миллиард тонн. См. «Neutron Stars», NASA Mission News, 23.08.2007, по состоянию на 27.10.2014,gov/mission_pages/GLAST/science/neutron_stars_prt.htm.
Резерфорд-техник одолел сложные математические расчеты и обнаружил: если картина, которую он себе представляет, действительно верна, в экспериментах должно было получаться именно то, что наблюдала его команда. Большинство быстрых и тяжелых альфа-частиц пролетит сквозь золотую фольгу, мимо крохотных атомных центров, и в результате траектория их полета изменится лишь слегка. Меж тем некоторые, пролетающие вблизи ядер, столкнутся с сильным полем и претерпят значительное отклонение от прямого маршрута. Мощь этого силового поля – прямо-таки из научной фантастики, как для нас – силовые поля из фильмов. Но пусть мы не имеем возможности генерировать поля такой силы в макромире, они существуют внутри атома.
Важный нюанс открытия Резерфорда: положительный заряд ядра сосредоточен в его центре, а не распределен равномерно по объему. Его представление, будто электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца, напротив, было совершенно ошибочным – и он это понимал.
Во-первых, аналогия с Солнечной системой не учитывает взаимодействия между планетами этой системы, – как не учитывает она и взаимодействия между разными электронами внутри атома. Эти взаимодействия совсем не одинаковы. Планеты, у которых солидная масса, но никакого общего электрического заряда, взаимодействуют гравитационно; электроны, у которых есть заряд, а масса мала, взаимодействуют электромагнитно. Сила тяготения чрезвычайно слаба, и потому притяжение планет друг к другу настолько мало, что для многих практических целей им можно пренебречь; электроны же воздействуют друг на друга мощнейшим электромагнитным отталкиванием, которое быстро нарушило бы аккуратненькие круговые орбиты.