Шквал диковинных статей с результатами исследований и в теоретической, и в экспериментальной физике казался многим, вероятно, примерно тем же, чем нам ныне – обилие литературы по социопсихологии, в которых исследователи регулярно объявляют об открытиях вроде: «Люди, которые едят виноград, чаще попадают в аварии на дороге». Но на самом деле, хоть выводы физиков и выглядели несусветными, они оказались верны. И постепенно накопленные экспериментальные данные, подкрепленные теоретическими доводами Эйнштейна, вынудили физиков принять существование и атома, и его составных частей.
За работу, приведшую к открытию электрона, Томсон получил Нобелевскую премию по физике 1906 года, а Резерфорд – по химии, в 1908 году, за работы, благодаря которым стало ясно, что алхимики в мантиях все же кое-что смекали.
Вот какова была сцена физических исследований 1909 года, на которую взошел Нильс Бор. Он был на пять лет младше Эйнштейна, однако этот разрыв оказался достаточно велик, чтобы Бор попал в другое поколение – в то, которое выходило на поле физики, уже приняв и атом, и электрон, хотя на фотон это доверие все еще не распространялось.
Темой докторской диссертации Бор выбрал анализ и критику теоретических выкладок Томсона. Завершив работу, Бор успешно обратился за грантом, который позволил бы ему трудиться в Кембридже и получать отзывы великого ученого. Обсуждение идей – ключевое свойство науки, и потому обращение Бора к Томсону с критикой, конечно, не равносильно замечанию студента, адресованному Пикассо, дескать, у лиц на ваших картинах перебор углов, – но все же что-то близкое к тому. И Томсон, разумеется, не рвался одарять критика-выскочку вниманием. Бор пробыл рядом почти год, но Томсон так и не обсудил с ним его диссертацию – он ее даже не читал.
Невнимание Томсона оказалось тем самым несчастьем, что помогло счастью: маясь в Кембридже из-за провалившегося плана задействовать Томсона, Бор встретил Резерфорда, заехавшего с визитом. Резерфорд сам работал под началом Томсона в свои молодые годы, но ко времени встречи с Бором уже был ведущим физиком-экспериментатором и директором центра изучения радиации в Университете Манчестера. Резерфорду, в отличие от Томсона, соображения Бора понравились, и он пригласил его к себе в лабораторию на работу.
Резерфорд с Бором составляли странный тандем. Резерфорд – человек-гора, энергичный, широкий и высокий, с сильным лицом и до того раскатистым, громовым голосом, что насылал помехи на чувствительное оборудование. Бор – утонченный и гораздо более мягкий, и на вид, и по натуре, с вислыми щеками, тихим голосом и легким дефектом речи. Резерфорд говорил с густым новозеландским акцентом, Бор – на бедном датском английском. Резерфорд, когда ему перечили, выслушивал с интересом, после чего завершал разговор, не удостаивая собеседника отпором. Бор упивался интеллектуальными стычками и творчески мыслил, лишь когда мог постоянно обмениваться с кем-нибудь мнениями и спорить.
Работа в паре с Резерфордом стала для Бора счастливой передышкой: хотя Бор отправился в Манчестер, думая, что сможет проводить эксперименты с атомом, прибыв туда, он очертя голову набросился на теоретическую модель атома, основанную на Резерфордовых экспериментальных данных, с которой сам Резерфорд и возился. Именно благодаря теоретической работе, которую он проделал по «атому Резерфорда», Бор смог оживить дремавшую квантовую идею и завершить за Эйнштейна работу, посвященную фотону: это Бор поместил представление о фотоне на карту наших знаний – навсегда.
Когда Бор прибыл в Манчестер, Резерфорд занимался экспериментами, призванными изучить распределение заряда внутри атома. Он решил разобраться с этим вопросом, анализируя особенности воздействия заряженных частиц, если ими стрелять, как пулями, по атому. Он взял альфа-частицы, которые сам же и открыл; мы теперь знаем, что это просто положительно заряженные ядра гелия.
Резерфорд еще не составил свою модель атома, однако допускал, что атом довольно прилично описывается другой моделью – Томсоновой. Протон и атомное ядро еще пока не открыли[361], и в модели Томсона атом состоял из рассеянной жидкости положительного заряда, в которой плавало множество электронов, компенсирующих этот положительный заряд. Поскольку масса электронов очень мала, Резерфорд думал, что, подобно марблам на пути пушечного ядра, они в движении массивных альфа-частиц мало что изменят. А вот гораздо более тяжелую жидкость положительного заряда и то, как она распределена, имело смысл изучать.
Аппарат Резерфорда был прост. Луч альфа-частиц испускало радиоактивное вещество вроде радия, и этот луч направляли на тоненькую золотую фольгу. Позади фольги размещался маленький экран. Альфа-частицы проходили сквозь фольгу и ударялись в экран, от чего получались крошечные почти невидимые вспышки света. Сидя перед экраном с лупой можно, несколько напрягшись, засечь место вспышки и определить, насколько отклонилась альфа-частица при соударении с атомами фольги.
Хотя Резерфорд уже прославился на весь мир, его работа и рабочее пространство были далеки от шикарных. Лаборатория – сырой мрачный подвал, по полу и потолку проложены трубы. Потолок так низок, что цепляешься головой, а пол такой неровный, что можно было налететь на трубу в полу еще до того, как утихнет боль от удара головой. Самому Резерфорду для проведения замеров терпения не хватало, и как-то раз пару минут попытавшись половить вспышки, он выругался и бросил это дело. Его ассистент, немец Ганс Гейгер [Ханс Хайгер], напротив, был богом однообразной деятельности. Ирония истории: позднее он перечеркнет ценность этой своей добродетели, изобретя счетчик имени себя самого.
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 вероятностей на математическом факультете, подумал, что есть небольшая вероятность отклонения альфа-частиц на некий больший угол, нежели позволял зарегистрировать Резерфордов прибор. И он предложил Гейгеру поручить Марсдену провести модифицированный эксперимент и проверить эту возможность.
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.
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]