Читаем Загадки микромира онлайн бесплатно

Чудаки украшают жизнь. Мир бы выглядел весьма бледно, не будь у него чудаков, этих вечно ненасытных, ужасно беспокойных, необыкновенно пытливых и безгранично любопытных людей. Упорно выискивают они мало кому понятные проблемы, бьются над ними, копаются в них. Упорно что-то открывают, изобретают, изготовляют. Хорошо сказал казахский поэт Олжас Сулейменов:

Не стоит далеко заходить, чтобы найти такого человека. Любой истинный ученый — хоть капельку чудак. Жажда знания в нем неистребима. Ничто — ни войны, ни голод, ни разруха, ни личные невзгоды — не в силах заглушить любознательность ученого, эту драгоценнейшую человеческую черту.

В осажденных Сиракузах Архимед решал математические задачи. В тюремных застенках Кибальчич заканчивал проект космического корабля. В голодном Петрограде, в блокадном Ленинграде продолжала жить настойчивая, неугасимая мысль исследователей.

Много проблем ставит перед нами жизнь. Одни из них решаются очень легко. Над другими бьются ученые нескольких поколений.

Казалось бы, тривиальный, почти детский вопрос: «Как устроен мир?» А ведь ответа на этот вопрос люди ищут более двух тысяч лет.

Ребенок берет в руки игрушку, и жгучая мысль пронзает его: а что там, внутри? И сразу появляются разломанные куклы, разбитые волчки, разобранные будильники. Иной ребенок, не обнаружив ничего существенного для себя, отбрасывает вместе с игрушкой и неинтересную для него проблему. У другого вопрос о внутреннем строении игрушки остается на всю жизнь, перерастая в вопрос о внутреннем строении мира. Такой ребенок неизбежно становится потом ученым.

В VI веке до нашей эры этот по-детски наивный и по-философски глубокий вопрос — вопрос о внутреннем устройстве мира — впервые задал взрослый человек.

Из какой материи состоит мир? — спросил себя древнегреческий мыслитель, один из основоположников науки, Фалес Милетский. Ему, как и другим ученым ионийской школы, казалось, что неизбежно должны существовать некие материальные частицы, какие-то вполне осязаемые элементы, из которых складывается, строится все остальное.

Спустя столетие последователь Фалеса Демокрит впервые нащупал ответ на этот каверзный вопрос. Демокрит полагал, что мир строится из двух элементов: из невидимых глазом мельчайших, нерассекаемых частиц-атомов и из пустоты. Для Демокрита природа — это «беспорядочное движение атомов во всех направлениях».

В красивой, поэтической форме изложил атомистическую гипотезу Демокрита древнеримский философ-материалист Тит Лукреций Кар. Именно со слов этого первого популяризатора науки мир познакомился с одной из величайших гипотез — с гипотезой об атомах.

Почти две тысячи лет наука довольствовалась умозрительной гипотезой Демокрита — Лукреция. И лишь в XIX веке английский химик и физик Джон Дальтон занялся экспериментальной проверкой атомистических воззрений древних.

Опыт следовал за опытом. Кропотливо и скрупулезно, как это умеет делать только химик, взвешивал Дальтон количество веществ, вступающих в реакцию, сравнивал результаты с количеством веществ, получаемых после реакции.

Длительные химические эксперименты Дальтон закончил важным выводом: каждое химическое вещество соединяется с другим только в определенной пропорции. Как в калейдоскопе из одних и тех же кусочков стекла получается огромное число причудливых композиций, так из мельчайших «кусочков» разных веществ складываются молекулы.

Аппетит приходит во время еды. Дальтон разжег аппетит химиков к дроблению вещества. Они в буквальном смысле начали «пытать» материю: нагревали, перегоняли, испаряли и расплавляли сотни химических соединений. Соединения распадались на отдельные «обломки», на отдельные «кусочки» разных сортов. Но «кусочки» эти держались стойко и ни на что уже больше не распадались.

Ну как тут было не принять эти «осколки» химических элементов за элементарнейшие частицы материи, мельче которых уже ничего нет и не может быть? Как тут не отождествить их с гипотетическими атомами Демокрита?

На этом, атомном, уровне строения материи высшим достижением науки, стремящейся узнать, как устроен мир, было создание периодической системы химических элементов Д. Менделеевым. Он создал ее, опираясь только на значение атомных весов известных в то время элементов и на свою, как сказал впоследствии Н. Бор, «потрясающую интуицию».

Таблица Д. Менделеева обогатила нас знаниями относительно всего того многообразия форм живой и неживой природы, которое царит на нашей планете. Она сыграла исключительно важную роль в химии и в физике, стимулировала поиски новых химических элементов, для которых в ней были оставлены пустые места.

Сегодня она служит планированию синтеза новых сверхтяжелых элементов, предсказанию свойств еще не созданных синтетических химических соединений. На ее основе строится вся химическая промышленность и металлургия.

Но сам Д. Менделеев испытывал чувство неудовлетворенности оттого, что не знал, какие законы природы лежат в основе угаданной им периодичности в химических и физических свойствах элементов. Фундаментальные законы природы, законы квантовой механики, отражением которых и была периодическая система элементов, удалось открыть лишь после того, как ученые стали исследовать строение материи на следующем — ядерном уровне.

«Прозрение внутренних причин явлений по их внешним проявлениям, может быть, и есть самое важное, самое дорогое и увлекательное во всей науке», — отмечает академик Я. Зельдович.

Сейчас наука о строении вещества обладает такими возможностями, которые позволяют ей проникнуть в глубь материи до 10^–15 сантиметра. Физики изучают свойства еще более «элементарных» кирпичиков вещества, чем атомы. Для чего это нужно?

Когда они сумеют найти законы, объясняющие детали их поведения, все их качества, предсказывающие, сколько их должно быть, то мы получим «таблицу Менделеева» для элементарных частиц. Она даст нам ключи к пониманию гораздо более широкого круга явлений: от микромира до космологии включительно.

«Однако, — как говорит В. Гейзенберг, — единая теория микро- и макромира все еще остается на сегодняшний день в значительной степени „музыкой грядущего“».

Но, вероятно, уже подрастает тот композитор, который сумеет написать ее…

А теперь снова вернемся к тем далеким временам, когда атомистика переживала свой триумф.

Химия не только подарила нам атомы, но и снабдила их специальным ярлыком. Ярлык, прикрепленный к изделиям, громогласно заявляет об их качестве и содержит инструкцию об их использовании. Химический ярлык на атомах провозгласил неизменяемость и неделимость их основным качеством.

Безапелляционность суждения химиков определила в то время и соответствующее негативное отношение к атомам. Действительно, раз они неделимы, то к чему, спрашивается, тратить время, пытаясь понять их устройство?

Ньютон писал: «Мне представляется, что бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, и такую форму, и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для этой цели, для которой он их сотворил».

Все собранные к этому времени доказательства сводились лишь к одному — к невозможности химического воздействия на атомы.

Почему только химического воздействия? А где были физики? Физики тогда не интересовались атомистикой. И не потому, что атомистика не заслуживала их внимания. Просто-напросто физики в то время были почти безоружны. Они глядели на атомы глазами химиков, чистосердечно доверяя им во всем.

Физики были почти безоружны. Но вот в небогатом их арсенале нашелся один прибор…

Физикам повезло. Им не нужно было изобретать и патентовать новое устройство. Не нужно было строить сложнейшую дорогостоящую установку, подобную современному ускорителю. Всё оказалось гораздо проще.

Хрупкая стеклянная колба длиной в несколько десятков сантиметров, с впаянными в нее электродами преданно служила уже не одному поколению физиков. С ее помощью изучались электрические разряды в газах с пониженным давлением.

Это была разрядная трубка — популярнейший прибор XIX века. Именно она стала тем инструментом, на котором зазвучали первые аккорды атомной и ядерной физики.

Спокойно и неторопливо изучали физики электрические разряды в газах. Спокойно и неторопливо заносили они в тетради факты и цифры с характеристикой этого, столь обычного для них явления.

Если б они только знали! Но никто даже не догадывался, что в трубке находится отнюдь не то вещество, с которым мы постоянно сталкиваемся в обыденной жизни, что в трубке под действием приложенного к ней напряжения появляется вещество в новом, неведомом еще ученому миру состоянии. Вещество, разложенное на отрицательно и положительно заряженные частицы. Вещество в новом, четвертом состоянии!

В обыкновенной, всем хорошо известной разрядной трубке находилась плазма. Та самая плазма, без которой сегодня немыслима физика.

Но пути науки неисповедимы — это сейчас знают все. Еще в середине прошлого века английский физик и химик Уильям Крукс открыл, что в разрядной трубке от катода к аноду струится поток отрицательно заряженных частиц. Физики приняли это сообщение весьма равнодушно. Но сам Крукс сделал из него необыкновенный вывод.

«Мы уже, — писал он, — как бы схватили повинующиеся нашему контролю неделимые частицы, о которых с достаточным основанием можно предполагать, что они являются физической основой вселенной». Науке потребовалось тридцать долгих лет, чтобы убедиться, что в газоразрядной трубке под действием напряжения несется поток обломков «неделимых» атомов!

Профессор Кавендишской лаборатории Джозеф Джон Томсон, которого друзья звали запросто «Джи-Джи», начал детально изучать катодные лучи.

Все началось с естественного для физика желания узнать природу обнаруженных в трубке неизвестных частиц. Прекрасный экспериментатор, Дж. Дж. Томсон ставил серию тонких, остроумных опытов. И выяснил, что катодные лучи — это поток электронов — носителей единичных отрицательных зарядов. Позже он измерил отношение заряда к массе и, наконец, массу электрона.

В новой серии экспериментов Дж. Дж. Томсон решил выяснить: зависят ли свойства электронов от того, какой именно газ находится в разрядной трубке?

Ответ застал ученого врасплох. Все электроны оказались совершенно одинаковыми. Так, значит, кроме атомов, существуют и другие мельчайшие частицы? Так, значит, частицы эти входят в состав всех атомов всех элементов? И атомы, единые и неделимые во веки веков, не так уж просты?

Спокойный, уравновешенный Дж. Дж. Томсон и по складу ума и по характеру менее всего подходил к роли новатора в науке. Он не только не обладал энергичным темпераментом ниспровергателя основ, но никогда и не желал ниспровергать эти основы.

Новаторство — удел молодежи. Сорокалетнему же профессору Кавендишской лаборатории свойственно было скорее закрепление на завоеванных, устоявшихся жизненных позициях. Томсон был воспитан в лучших традициях классической физики. Он никогда не сомневался в ее всеобщности и могуществе.

И вот все рухнуло. Что же делать? Продолжать молиться на ярлык химической атомистики? Или же признать существование еще каких-то частиц, более элементарных, чем сам «неделимый» атом?

К чести Дж. Дж. Томсона борьба в нем двух людей — новатора и консерватора — окончилась победой новатора. Физик-экспериментатор, для которого факты — реальнейшая, если не единственно реальная, вещь на Земле, победил в нем человека, скованного по рукам и ногам канонами современной ему классической физики.

Атомный Рубикон был перейден. Простейшие кирпичики мироздания оказались сложенными, по крайней мере, из электронов.

За три года до конца XIX века в науке произошла смена лидера. Химия потеснилась, а физика начала новое столетие. Сам факт открытия первой элементарной частицы — электрона, то есть еще одной формы материи, трудно сопоставить с чем-либо другим. С крушением мифа о неделимости атома рушилась целая философская система, менялось старое мировоззрение, выработанное многими поколениями ученых.

Перешагнув «атомную черту», физики лишились поддержки классической механики Ньютона. Они лишились почвы, на которой веками стояло здание их науки.

Новой же теории, описывающей только что открытые атомные явления, пока не было. Рождения квантовой механики нужно было ждать еще несколько десятилетий. И физика повисла в воздухе — весьма неудобное состояние для науки.

Открытие электрона, за которое Дж. Дж. Томсон был удостоен Нобелевской премии, еще не прояснило главного. Каверзный вопрос — как устроен атом? — остался открытым.

Но не будем несправедливы к веку наших бабушек и дедушек… Ибо на самом финише прошлого столетия физики получили наконец тот инструмент, с помощью которого уже в наш век удалось проникнуть в глубь атома.

Все началось в Новозеландском университете, где за студенческой партой сидел будущий отец ядерной физики Эрнст Резерфорд. Этот студент осмелился не доверять царившим в химии взглядам на атом. И в подтверждение этого назвал свою первую научную работу «Эволюция элементов».

Окончив университет в 1894 году, Резерфорд приехал на стажировку в Англию. Ему очень повезло: он попал в Кавендишскую лабораторию к Дж. Дж. Томсону.

В это время произошло событие, на которое автор «Эволюции элементов» не мог не обратить самого пристального внимания. В 1896 году представитель большого семейства французских физиков Беккерелей — Антуан-Анри — открыл радиоактивность. Другими словами, он открыл явление самопроизвольного распада атомов. Это окончательно подорвало авторитет атомов как мельчайших, неделимых частиц вещества.

Вместе с Томсоном Резерфорд занялся изучением природы недавно открытого излучения. И вскоре наткнулся на одну многообещающую особенность. Резерфорду удалось доказать, что радиоактивное излучение неоднородно и состоит по меньшей мере из двух компонентов. Из легких бета-частиц, в которых легко узнать томсоновские электроны, и тяжелых, положительно заряженных альфа-частиц.

Золотые дни сотрудничества с Томсоном быстро кончились. Резерфорд переехал на работу сперва в Канаду, а затем — в Манчестер. Но Кавендишскую лабораторию покидал он не с пустыми руками. В заднем кармане его брюк лежал, образно говоря, заряженный пистолет. А раз появившись на свет, пистолет обязательно стреляет. Обязательно — рано или поздно.

Пистолет Резерфорда выстрелил поздно. Ему уже было за сорок, он почитался уважаемым профессором Манчестерского университета, известным специалистом по радиоактивности, лауреатом Нобелевской премии.