…Однажды на банкете в лондонском Королевском обществе известный астрофизик Артур Эддингтон глубокомысленно сказал, что электроны, быть может, всего только «умозрительная концепция», а реально они не существуют. Резерфорд встал, и, по словам очевидца, у него был вид рыцаря, готового вскричать: «Вы оскорбили даму моего сердца!» А вскричал он следующее:
— Электроны не существуют?! Ах, вот как! Отчего же я вижу их так ясно, как эту ложку перед собой?
(Помню, лет десять назад мне случилось пересказать этот исторический эпизод в одной ученой аудитории. Все весело рассмеялись, кроме молоденького доктора химических наук. «Чепуха! — с удивительной серьезностью возразил он. — Наш глаз не может увидеть шарик диаметром в 10–13 сантиметра!» И победительно поправил сползающие очки. Раздался насмешливый голос его соседа: «Старик, ты никогда еще не говорил ничего более разумного, но Резерфорда из тебя не получится!»)
Альфа–частицы новозеландец называл «веселыми малышами». Кажется, он вообще питал глубоко личные симпатии — вполне человеческие — ко всем незримым обитателям микромира. Когда в 1932 году его ученик Джеймс Чэдвик открыл предсказанный им, Резерфордом, нейтрон и Нильс Бор обрадованно признал реальность этой новорожденной нейтральной частицы, сэр Эрнест ответным письмом сердечно поблагодарил датчанина — так, точно речь шла и впрямь о пополнении его, Резерфордова, семейства. А к альфа–частицам у него всегда сохранялось особое пристрастие. Они принесли ему решающе важные сведения об устройстве атомов. Как надежнейший тонко проникающий бур, они–то и помогли ему еще в молодости «рыть глубоко»…
Десять лет ушло на установление основных свойств и природы альфа–частиц.
…Масса — учетверенный атом водорода. Заряд — в два раза больший, чем у электрона, и притом положительный: +2. Скорость движения при вылете из радиоактивного атома 10 — 20 тысяч километров в секунду. Химические свойства — как у элемента гелия, сперва открытого в спектрах солнца и только потом на земле…
Десять лет работы! При нынешнем лабораторном инструментарии на выяснение всего этого понадобился бы один месяц, если не один день. Но тогда еще только–только рождались основы для конструирования сегодняшнего инструментария атомной физики. Вместе с идеями рождались ее методы. Среди них — фундаментальнейший: изучение рассеяния микрочастиц при их прохождении через вещество.
Началось это тогда, когда восемь лет работы с альфа–лучами были уже позади, — летом 1906 года в Канаде, где Резерфорд возглавлял физическую лабораторию Макгилльского университета. Непредвиденное и почти неприметное событие взбудоражило его мысль: узенький пучок альфа–частиц, пронизав тонкий слюдяной листок, чуть–чуть расширился. Вот и все, что случилось. Но отчего это случилось?
Фотопластинка зафиксировала отклонение доли частиц на два градуса от перпендикуляра. Возможно, иные отклонялись еще сильнее, да только почернение пластинки от их падения было, очевидно, нечувствительно слабым. 2° — сущий пустяк. Однако летели–то массивные микропули и притом с огромными скоростями! Что же могло сбить их с прямого пути? По–видимому, только электрическое воздействие встречных атомов, когда они, заряженные альфа–частицы, пронизывали тонкий листок слюды. Несложный расчет дал внушительный результат: тут проявлялось отклоняющее действие силового поля напряженностью в 100 000 вольт на сантиметр. Резерфорд тогда же написал:
«Такой результат ясно показывает, что атомы вещества должны быть средоточием очень интенсивных электрических полей».
Первый же — случайный! — опыт по рассеянию альфа–частиц выводил на дорогу, ведущую в глубь атома, Новозеландец безошибочно почуял это.
Веселые малыши заслуживали его любви.
5
А потом в Манчестере 1909 года — не прошло и трех лет! — произошло вот что:
«Он повернулся ко мне и сказал: — Посмотрите–ка, не сможете ли вы получить некий эффект прямого отражения альфа–частиц от металлической поверхности?
Не думаю, чтобы он ожидал чего–нибудь подобного, но это было одно из тех «предчувствий», когда появляется надежда, что, быть может, кое–что все–таки удастся наблюдать, и уж во всяком случае удастся прощупать разведкой ту территорию, что соседствует с «землей Тома Тиддлера»…»
Так через пятьдесят с лишним лет вспоминал проис шедшее ученик Резерфорда, его тезка, Эрнест Марсден. «Земля Тома Тиддлера» — английское иносказание, равносильное русскому «золотое дно». Конечно, с расстояния в полвека открывшееся тогда золотое дно было видно постаревшему Марсдену во всей своей бескрайности. Но в 1909 году даже самому Резерфорду это предчувствие казалось сверхнесбыточным. Прямое отражение альфа–частиц от тоненького листка металлической фольги означало возвращение их вспять — полет обратно к радиоактивному источнику! Позднее он не раз повторял, что не верил, будто это возможно:
«То было почти столь же неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15–дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».
Резерфорд не преувеличивал абсурдности ожидаемого эффекта. Альфа–луч походил на острую стрелу, запущенную с чудовищной скоростью из лука. И ей–то предлагалось, вонзившись в бумажную мишень, повернуть от нее в обратном направлении — к еще пульсирующей тетиве!.. Отчего он заказал такой бессмысленный эксперимент совсем юному ученику? Марсдену тогда едва исполнилось двадцать лет, и он только помогал в работе многоопытному доктору из Германии Гансу Гейгеру (тому самому, что позднее прославился как изобретатель счетчика радиации).
Угадывается этическая осмотрительность Резерфорда. Поручить заведомую несуразицу мастеру было бестактно: еще пойдет гулять молва, порочащая его. А неудача подмастерья — другое дело: невелик спрос — не выйдет, так сразу все и забудется… Словом, в самом выборе Марсдена сквозила осознаваемая нелепость задуманного эксперимента.
Трезвость — логика — расчет — солидность… Куда все подевалось? Загадочно. Но, может быть, непреходящая готовность послать к чертям признанные нормы трезвой рассудительности и пуститься на риск — это и есть психологическая норма поведения, разрешенная великим работникам науки? (Конечно, загадка так не разгадывается, но хоть очерчиваются ее контуры.)
В общем, юный Марсден трудился не зря! И вскоре Гейгер начал ревностно помогать собственному помощнику: перед обоими замерцала вдали земля Тома Тиддлера. Буквально — замерцала. Чтобы следить за рассеянием альфа–частиц, они ставили под разными углами к металлическим мишеням экран из сернистого цинка: отклонившиеся в сторону частицы, падая на такой экран, вызывали на нем мерцание — короткие вспышки–сцинтилляции. По этим вспышкам альфа–частицы можно было считать в темноте зашторенной лаборатории.
Через двадцать семь лет, за год до смерти, Резерфорд с нисколько не постаревшим изумлением вспоминал один из весенних дней 1909 года:
«…Гейгер вошел ко мне и в страшном возбуждении сказал: — Нам удалось наблюдать альфа–частицы, возвращающиеся назад!»
В тот день — точно не зарегистрированный — стартовало создание первой научно обоснованной атомной модели. И одновременно стартовала сама ядерная физика.
Но должно было пройти еще около двух лет, прежде чем на исходе 1910–го или в начале 1911 года у Резерфорда появилось право поменяться ролями с Гейгером. Тоже через двадцать семь лет Гейгер в свой черед вспоминал другой памятный день:
«Однажды Резерфорд вошел в мою комнату, очевидно, в прекраснейшем расположении духа, и сказал: — Теперь я знаю, как выглядит атом!»
На что же понадобились почти два года, разделившие эти симметричные сцены?
6
Они понадобились не столько на повторение экспериментов, сколько на повторное взвешивание–перевешивание возможного истолкования состоявшегося чуда.
Правда, Гейгеру и Марсдену пришлось насчитать в темноте миллион сцинтилляций, чтобы статистически достоверно изучить «бессмыслицу», «несуразицу», «абсурд». То была подвижническая работа. Между прочим, Эйнштейн, по свидетельству Отто Фриша, удивлялся продуктивности альфа–бомбардировок, сравнивая их «со стрельбой по воробьям в полной темноте».
Наш известный физико–химик Николай Шилов, посетивший в 10–х годах Манчестер, написал тогда про альфа–частицы поэтические строки: они «заставляют экран из сернистого цинка блестеть, как перо жар–птицы, ярким голубым сиянием неописуемой красоты». Это он наблюдал альфа–лучи, прямо падавшие на экран от источника, без рассеяния в металлических мишенях.
А частицы, возвращавшиеся назад, — другими словами, рассеянные на углы чуть ли не в 180°, — были редкостью: всего одна на 8000 альфа–частиц переживала эту судьбу! И одиночные голубые вспышки от их падения всегда возникали внезапно — через непредсказуемые интервалы. Следовало постоянно быть настороже. Нетерпеливый Резерфорд для такой работы не годился, да и вечно возбужденные его глаза уставали слишком быстро: «Я проклинал все на свете и отступал через две минуты…».
Зато ни на минуту не отступал он от другого — от поисков ответа на вопрос: что же происходит, когда «15–дюймовый альфа–снаряд» поворачивает вспять от мишени? Время пожирала вот эта неустанная работа мысли. И, между прочим, напрасно Резерфордов ученик более поздней поры — 30–х годов — Норман Фезер уверял в своей биографии учителя, что в 10–х годах случился в Манчестере «пустой год». Это все равно что счесть «пустым» время прорастания зерна в земле.
Любопытно, что сам же Фезер отметил: «Резерфорд был поставлен в тупик». Так ведь из тупика есть только два выхода: или уйти назад восвояси, или проламываться вперед. Резерфорд был из тех немногих, что предпочитают проламываться. Еще больше это походило на постепенный снос высокой стены — камень за камнем.
Альфа–частицы в большинстве своем легко пронизывали мишени. Им не удавалось бы это так просто, будь атомы сплошными шариками вещества, накатанными, как в модели Томсона, из положительно заряженного теста. Явно ближе к истине была идея сквозного атома. К слову сказать, еще в 1904 году об этой идее, возникшей тогда на других основаниях, писал Резерфорду его будущий друг австралиец Вильям Брэгг–старший.
В сквозном атоме отрицательные электроны и пока неизвестные носители положительного заряда должны быть разведены друг от друга далеко в стороны. Ну, скажем, как планеты и Солнце: легче легкого пролететь сквозь Солнечную систему, «ничего не задев» по дороге… Ничего? А связывающие все тела силовые поля тяготения? Их, разумеется, не миновать — они заполняют пустоту. И при этом — работают, определяя движение небесных тел с их огромными массами… Но в микромире массы так ничтожны, что гравитационные поля неощутимы. Там все дело в силах электрических. Примерно оценив их еще тогда, когда обнаружилось отклонение альфа–луча на 2°, Резерфорд теперь обдумывал конструкцию атома, способного отклонить альфа–частицу на 180° или — иначе — отшвырнуть ее назад. «Внутри атома должны действовать ужасающие силы…» — порою повторял он ненароком, выдавая ближним скрытую работу своей мысли.
Не могло ли отражение альфа–частицы назад быть результатом постепенного — многократного — отклонения ее на малые углы внутри мишени? Частица пронизывает множество атомов, углубляясь в мишень. Каждый чуть сбивает ее в сторону — скажем, на 2°. Один — на два градуса, другой — на два, третий, десятый, сороковой… В сумме — за 90 отклонений — может накопиться нужный эффект: все 180 градусов. Вот частица и вылетает из мишени обратно. Это ли не искомый ответ?
Однако протестовала теория вероятностей. Отклонение предполагало длиннейшую череду поворотов частицы все в одну и ту же сторону— как по заказу! Но для этого не было никаких оснований. Игроку в орел и решку может, конечно, пригрезиться, что он выиграет девяносто раз подряд. Почему бы нет? Да только вероятность такой баснословной серии выигрышей непредставимо мала: 1/2 в девяностой степени. Такую малость не с чем сравнить. Нет, по законам случая — статистически — вообще не могло получиться сколько–нибудь заметного отклонения: для любой частицы равновероятные отклонения в разные стороны просто взаимно погашались бы… Резерфорд увидел: механизм многократного рассеяния ничего не объясняет. Так что же происходило в мишени?
Выбора не было: если не многократное рассеяние, то однократное. Отражение назад представилось как итог столкновения альфа–частицы с единичным атомом. Он — сквозной! — отбрасывал ее обратно.
Легонькие электроны противостоять тяжелой частице не могли. Оставалось предположить, что есть внутри атома массивная сердцевина, способная на единоборство с альфа–снарядом. Она мала по объему, раз атом почти пуст. Но в ней–то и сосредоточена его главная масса. И весь его положительный заряд, уравновешивающий отрицательный заряд блуждающих в атоме электронов.
В сквозной планетной системе проглянуло могучее Солнце. «Ужасающие силы» могли исходить именно и только от него. Для положительно заряженной альфа–частицы то были силы электрического отталкивания.
…Родилась идея атомного ядра!
Эта идея прекрасно работала. Малость атомной сердцевины хорошо объясняла редкость прямого отражения: для поворота назад частице требовалось подлететь совсем близко к ядру — быть очень прицельной. Только тогда могла она испытать всю мощь отталкивания. Но в крошечное ядро попасть было трудно. Оттого–то это удавалось лишь одной частице примерно на 8000. И другие подмеченные в опытах Гейгера—Марсдена закономерности объяснялись легко и непринужденно.
Теперь в руках Резерфорда было достаточно строительного материала для конструирования правдоподобной модели атома. В центре — ядро, как Солнце. На периферии — электроны, как планеты. Электроны притягиваются ядром, как всегда взаимно притягиваются разноименные заряды. Но электроны на ядро не падают. потому что пребывают, как планеты, в непрерывном вращении вокруг него. И притом — с достаточной скоростью, чтобы центробежная сила по законам классической механики уравновешивала центростремительную. Словом, точная микромодель огромной Солнечной системы.
И в один прекрасный день на рубеже 1910 — 1911 годов Резерфорд по праву громогласно объявил в лаборатории:
— Теперь я знаю, как выглядит атом!
7
Все–таки на что же ушли два года? Разве не довольно было долгого зимнего вечера, чтобы обмозговать все рассказанное (и еще многое здесь опущенное)? Весьма возможно, что Резерфорд и впрямь додумался до решения за один вечер. Легко допустить, что зрелище планетарного атома выступило перед его мысленным взором сразу. И даже с полной отчетливостью. Но в полной отчетливости и была беда: он тотчас должен был увидеть, что такой атом по классическим законам не мог существовать!