Текст книги "Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной"
Автор книги: Маркус Чоун (Чаун)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 10 страниц)
Вот тут-то и возникает очередная квантовая причуда. Закон сохранения углового момента требует только одного: чтобы спины двух фотонов, разлетающихся от точки аннигиляции, были противоположны. Есть два варианта, как это может происходить. Либо первый фотон вращается по часовой стрелке, а второй – против часовой стрелки. Либо первый фотон вращается против часовой, а второй – по часовой. Однако не будем забывать, что это мир квантов. Каждая возможность представлена квантовой волной. А если возможны две волны, то – вспомним! – возможна и их комбинация (в сущности, эта комбинация даже необходима).
Итак, новорожденные фотоны разлетаются – а разлетаются они в противоположные стороны, – но при этом обе частицы существуют в «потусторонней» квантовой суперпозиции. Так же как одиночный фотон может одновременно находиться по эту и по другую сторону оконного стекла, два разлетающихся фотона тоже одновременно вращаются «по часовой / против часовой» и «против часовой / по часовой». Возможно, вы не видите, что здесь скрывается нечто сногсшибательное. Не волнуйтесь. Никто не видел. Чтобы увидеть эту сногсшибательность, понадобился Эйнштейн.
В дополнение к закону сохранения углового момента мы пока использовали только один квантовый ингредиент – квантовую суперпозицию. Но есть и другой ингредиент – непредсказуемость. Допустим, мы устроили дело так, что у нас появился некий детектор, который будет перехватывать первый фотон и определять его спин: ведь уверенно предсказать, в каком направлении будет вращаться фотон, абсолютно невозможно – даже в принципе. Неодолимая случайность – вот главная характеристика квантового мира. Все, что мы знаем, это следующее: есть 50-процентная вероятность того, что при обнаружении фотона он будет вращаться по часовой стрелке, и 50-процентная вероятность того, что вращение фотона будет происходить против часовой стрелки.
Допустим, мы перехватили первый фотон и установили, что он вращается по часовой стрелке. И вот теперь – та самая сногсшибательность. Второй фотон мгновеннодолжен начать крутиться в обратном направлении. Ведь когда фотоны родились, они вращались в противоположных направлениях, а закон сохранения углового момента требует, чтобы они всегда крутились в разные стороны. Если, с другой стороны, мы, перехватив первый фотон, обнаружили, что он вращается против часовой стрелки, то второй фотон обязан мгновенноначать вертеться по часовой стрелке. Что здесь самое умопомрачительное, так это то, что не существует никакого указания, сколь велико (или мало) должно быть расстояние между фотонами. Если обнаружено, что один фотон вращается в одном направлении, то его близнец должен мгновенноотреагировать, обеспечив вращение в противоположном направлении, – даже если фотоны находятся в разных концах Вселенной.
Квантовая теория, как блестяще продемонстрировали Эйнштейн, Розен и Подольский, открыта для полного безумия: она разрешает мгновенное воздействие на расстоянии. Это означает, что частицы, родившись вместе, должны с этого момента всю оставшуюся жизнь вести себя не как две самостоятельные частицы, а, образно говоря, быть не разлей вода. Они знаютдруг о друге. Их свойства неразрывно переплетены или, на жаргоне квантовой физики, «запутаны». Мгновенное воздействие – это что-то вроде призрачного влияния, которое квантовые частицы оказывают друг на друга с бесконечной скоростью.Однако сей феномен бросает вызов теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, что никакое влияние не может распространяться быстрее скорости света – 300 000 километров в секунду.
Все может быть сведено к взаимодействию трех вещей: суперпозиции, непредсказуемости и закона сохранения углового момента. Поскольку два фотона пребывают в суперпозиции, состояние этих двух частиц – вертятся ли они «по часовой / против часовой» или «против часовой / по часовой» – не может быть точно определено, пока не установлен спин одной из них. Но даже когда спин установлен, результат все равно непредсказуем. Тем не менее закон сохранения углового момента каким-то образом срабатывает: он передает второй частице знание о спине ее партнера, так что она может мгновенно начать вращаться в противоположном направлении.
Именно тонкое взаимодействие трех вышеупомянутых факторов предопределяет существование мгновенного влияния, для которого существует специальный термин – «квантовая нелокальность». И на самом деле сохранение углового момента не столь уж важно. Нет абсолютно никакой причины, почему мгновенное воздействие не может быть продемонстрировано, если мы заменим закон сохранения углового момента, скажем, законом сохранения энергии. Просто потребуется немного изобретательности, чтобы состряпать ситуацию, в которой мгновенное действие проявит себя и в этом случае.
В некоторых популярных книгах утверждается, что две запутанные частицы похожи на пару перчаток. Вообразите: вы достали из ящика перчатку, не посмотрев на нее, положили в сумку, сели за руль, пустились в путь и, лишь проделав немалое расстояние, решили открыть сумку и проверить, что там лежит. Если вы обнаруживаете левую перчатку, то можете с уверенностью утверждать, что дома, в ящике, осталась правая, и наоборот. Но сказать так – значит недооценить (и даже опошлить!) магию запутанности. Две отдельные квантовые частицы вовсе не похожи на пару перчаток. В случае с перчатками одна из них подходит для левой руки, а вторая – для правой, и так будет всегда, ну, по крайней мере, все то время, пока эти перчатки существуют на белом свете. Если перчатка, которую вы прихватили с собой, оказалась правой, она и была правой до того, как вы открыли сумку, а это означает, что левая перчатка осталась дома. Нет ни малейшей необходимости в том, чтобы какой-то сигнал полетел домой и приказал оставшейся там перчатке непременно быть левой. Она и так была левой, есть левая и будет левой.
Сравним это с двумя фотонами. Если каждый подобен перчатке, то это странная, «потусторонняя» перчатка, она не левая и не правая, а точнее, это перчатка, в которую изначально вообще не заложено свойство «левости» или «правости». Таковое свойство возникает, только когда вы достаете перчатку из сумки и разглядываете, с какой стороны она более округлая, – причем для данной конкретной перчатки эта округлость совершенно случайна, ей, перчатке, абсолютно все равно, правая она или левая. И тогда оставшаяся дома перчатка – в которую тоже изначально не было заложено свойство «правости» или «левости» – должна мгновенно отреагировать, став противоположностью своей партнерши. Именно то обстоятельство, что перчатка (или фотон) не имеет конкретного состояния, – а также то, что «левое» либо «правое» состояние затем определяется совершенно случайным образом, – и понуждает к образованию призрачной связи между данной перчаткой (фотоном) и ее партнершей (вторым фотоном) как раз тогда, когда происходит определение этого состояния.
С этой «нелокальностью» Эйнштейн окончательно убедился в своей правоте – его предсказание было настолько смехотворным, отдавало таким оголтелым помешательством, что это могло означать только одно: квантовая теория – вовсе не последнее слово природы. Беда в том, что нелепый феномен, предсказанный Эйнштейном, был подтвержден экспериментально – это сделал французский физик Ален Аспе (р. 1947). В 1982 году, спустя четверть века после смерти Эйнштейна, Аспе продемонстрировал, как фотоны в одном конце его лаборатории (Университет Париж-Юг) ответили фотонам в другом конце лаборатории – словно бы призрачное воздействие перепорхнуло с одних частиц на другие, причем со скоростью, значительно превышавшей скорость света. Эйнштейн ошибся. Квантовая теория выдержала еще один труднейший экзамен. Реальность, которую она описывает, может показаться нелепой, неприятной, отталкивающей, но это жесткая реальность. Просто так все устроено в природе.
Ах, как было бы замечательно, если бы мы могли передавать сообщения на бесконечной скорости, дерзко нарушая эйнштейновский скоростной предел – скорость света! Однако – хотите верьте, хотите нет – то, что природа дает одной рукой (соблазнительную возможность мгновенной коммуникации, как в сериале «Звездный путь»), она тут же забирает другой. Все опять сводится к случайности. Единственная информация, которая может быть передана при помощи мгновенного воздействия, – это спиновое состояние фотона. Но если отправитель хочет использовать «нелокальность», он должен посылать каждый фотон своего сообщения в суперпозиции двух вращений – по часовой стрелке и против. Допустим, вращению по часовой стрелке можно придать значение «0», а вращению против часовой стрелки – «1». Но если каждый фотон пребывает в суперпозиции своих состояний, у него будет только 50-процентная вероятность служить «нулем» и такая же 50-процентная вероятность – служить «единицей». Получается, единственное сообщение, которое может быть отправлено, это случайная последовательность «нулей» и «единиц», – смысла в таком сообщении ровно столько же, сколько в послании, составленном из результатов случайных бросков монетки. Эйнштейновский скоростной предел, выражаемый скоростью света, не нарушается, потому что эта скорость – так уж получается! – представляет собой верхний предел скорости передачи информации.Природа не накладывает ограничений на скорость передачи бесполезной тарабарщины. Эта мгновенность бессмыслицы и есть то единственное, что разрешает нам «нелокальность», казавшуюся на первый взгляд столь поразительной.
Мы проделали немалый путь, начав с отражения вашего лица в окне. Ваш размытый образ, взирающий на вас «из-за стекла», говорит о том, что микроскопическим миром фотонов дирижирует Его Величество случай. Затем мы разобрались с волноподобным поведением фотонов – оказалось, они могут делать две вещи одновременно, – и это привело нас к «нелокальности». Многие физики считают, что мгновенное воздействие – величайшая загадка квантовой теории. Сказать по справедливости, никто не знает, что означает эта самая «нелокальность» для Вселенной в целом. Однако есть одна вещь, которую мы знаем наверняка. Все бесчисленные частицы Вселенной родились совместно 13,7 миллиарда лет назад в огненном облаке Большого взрыва. А следовательно, призрачные узы, что соединяют два «вертящихся» фотона, должны – в каком-то смысле, но этот смысл мы пока не можем уловить – связывать вас и меня с атомами самых удаленных звезд и галактик.
2. Почему атомы повсюду танцуют рок-н-роллТот факт, что вы не проваливаетесь сквозь пол, говорит вам: есть что-то такое, что не дает микроскопическим составляющим материи развалиться на еще более мелкие части
С классической точки зрения атомы попросту невозможны.
Ричард Фейнман [13]13
Ричард Филлипс Фейнман (1918–1988) – выдающийся американский ученый. Один из создателей квантовой электродинамики. Предложил партонную модель нуклона (1969), теорию квантованных вихрей. Реформатор методов преподавания физики в вузе. Лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г. Приведенная цитата взята из знаменитых «Фейнмановских лекций по физике»: Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. – М.: Мир, 1965.– Вып. III. Гл. 38.
[Закрыть]
И может, это потому, что атомам моим на месте не сидится, им хочется повсюду пускаться в рок-н-ролл…
Земля под вашими ногами – твердая, крепкая. Книга, которую вы держите в руках, – тоже крепкая. Да и вы сами – твердый, крепкий человек. Вероятно, вы считаете эти вещи само собой разумеющимися. Как бы не так! Должен вас огорчить: 99,9999999999999 % материи – пустота. Земля, на которой вы стоите, куда более разрежена, чем самая разреженная утренняя дымка. Эта книга – не более чем призрак; слова, которые вы читаете, – призрачные слова. Да и вы сами – простите великодушно – тоже призрак. Конечно, если земля столь поразительно иллюзорна, вы не можете не задуматься: как же она способна выдерживать ваш вес? Почему вы не проваливаетесь сквозь нее, хотя должны были бы провалиться, раз она подобна утреннему туману? Ответ таков: есть что-то, что мешает кирпичикам материи даже отдаленно соседствовать друг с другом. Есть некая таинственная сила… – она столь яростна, что неумолимо расталкивает в разные стороны электроны и атомные ядра; при этом материя становится жесткой, как если бы образующие ее частички крепились к каркасу из прочных невидимых балок. Именно за счет этой силы земля под вашими ногами – несмотря на то что она столь невероятно разрежена – способна выдерживать ваш вес.
Чтобы понять, почему вещество столь всеобъемлюще заполнено пустотой, сначала нужно разобраться с атомами. Как уже говорилось, идеей, что все состоит из атомов, мы обязаны греческому философу Демокриту [15]15
См. главу 1. (Прим. автора).
[Закрыть]. Он убеждал, что не только материя в конечном итоге состоит из очень маленьких, неделимых зерен, но сами такие зерна бывают разных видов, причем набор этих видов весьма ограничен. Комбинируя крошечные зернышки (микроскопические кирпичики «Лего», могли бы мы сказать) по-разному, можно получить дерево, или стол, или человека. Все дело в комбинациях. Конечно, далеко не очевидно, что материя зерниста, а не делима до бесконечности. Это потому, утверждал Демокрит, что атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть или пощупать. И вот два тысячелетия спустя ученые начали накапливать косвенные свидетельства существования атомов. Например, они осознали, что поведение газа – скажем, водяного пара – поддается объяснению лишь в том случае, если этот газ состоит из множества крошечных атомов, снующих туда и сюда, будто рой рассерженных пчел. В 1662 году ирландский физик Роберт Бойль (1627–1691) открыл, что если объем коробки, содержащей газ, уменьшить вдвое – вдвинув туда подвижную стенку («поршень»), – то потребуется вдвое больше сил, чтобы удерживать поршень, потому что давление газа будет его выталкивать. Если объем уменьшить втрое, то и сила потребуется втрое большая.
Итак далее. Это наблюдение, известное как закон Бойля-Мариотта [16]16
Двойное название объясняется тем, что закон был независимо переоткрыт французским физиком Эдмом Мариоттом (1620–1684) в 1679 г.
[Закрыть], обретает смысл, если представить, что давление, оказываемое газом, – просто-напросто сила, с которой бесчисленные атомы лихорадочно колотят по поршню, словно дождевые капли по жестяной крыше. Если объем емкости сократить до половины (вдвинув тот самый поршень до середины коробки), то атомам, для того чтобы ударить сначала по поршню, а потом по донышку, нужно будет преодолеть вдвое меньшее расстояние. Следовательно, они будут биться о стенки вдвое чаще, создавая удвоенное давление. Если же объем уменьшить до одной трети, то атомам придется пробегать втрое меньшее расстояние и отскакивать от стенок они станут в три раза чаще – давление утроится.
Вот такое доказательство того, что атомы – это крохотные зернышки, пребывающие в постоянном движении. А как доказать, что они бывают разных видов? Это очень сложно, ведь, по Демокриту, главная причина того, что мир ошеломляюще разнообразен, заключается в следующем: атомы не просто прилепляются к себе подобным, но при первой возможности связываются с другими типами атомов. Однако же, как заметил Эйнштейн: «Бог хитер, но не злонамерен» [17]17
Замечание, сделанное Эйнштейном в апреле 1921 г., во время его первого визита в Принстонский университет. Цит. по: Ronald W. Clark, Einstein: The Life and Times, New York: Avon Books, 1971.
[Закрыть]. Оказывается, некоторые вещества, например золото, не могут быть разобраны на более мелкие составляющие ни с помощью тепла, ни с помощью кислоты, ни каким-либо иным способом. Такие «элементные» вещества дают все основания для того, чтобы считать их большими скоплениями атомов одного типа.
Первым, кто идентифицировал такие вещества, был французский химик, аристократ Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Его список, составленный в 1789 году, содержал 23 «элемента». На самом деле некоторые из них вовсе не были элементами, но, во всяком случае, Лавуазье положил начало. Пять лет спусти он был уже неспособен пополнять свой список, поскольку лишился головы на гильотине, однако его дело продолжили другие. Проблема заключалась в том, что к середине девятнадцатого века число известных элементов уже перевалило за пятьдесят, что было явно больше той горстки атомов различных типов, которые Демокрит полагал кирпичиками всей материи. Сегодня нам известны 92 элемента, встречающихся в природе, – этот ряд начинается с водорода, самого легкого, и заканчивается ураном, самым тяжелым из природных элементов. Почему так много?
Один из возможных ответов вот какой: атомы вовсе не конечные кирпичики материи, они сами состоят из более мелких частей. Это предположил один лондонский химик во втором десятилетии девятнадцатого века. Уильям Праут (1785–1850) сравнил веса различных элементов, последовательно их расположив, и открыл поразительную систему этой последовательности: большинство весов элементов были в точности кратны весу водорода, легчайшего из них [18]18
Проблема заключалась в том, что есть исключения – элементы, атомные веса которых не кратны атомному весу водорода. Например, атомный вес хлора – 35,5. Праут не знал, что хлор бывает нескольких видов (речь идет об изотопах), атомный вес каждого вида в точности кратен атомному весу водорода, но в среднем получается именно 35,5. (Прим. автора).
[Закрыть]. Система, если заглянуть в словарь, – это «определенный порядок в расположении и связи действий». Возьмем «систему» в виде числа 8787878787878787878787. «Определенный порядок» виден сразу: простейшая составная часть этой записи числа – «87». Вот и система последовательности в виде весов элементов, которую обнаружил Праут, заманчиво намекала на то, что в атомах что-то происходит на некоем более глубоком, фундаментальном уровне: у них, судя по всему, есть внутренняя структура! Все становится на свои места, заключил Праут в 1815 году, если основной кирпичик природы – это атом водорода, а все более тяжелые элементы – просто различные количества атомов водорода, сцепленных вместе.
Другую заманчивую систему, связанную со свойствами элементов, выявил позднее русский химик Дмитрий Менделеев. Готовя учебник по химии, Менделеев составил карточки для каждого из известных на ту пору 67 элементов и занес в каждую свойства конкретного элемента, такие, как точка плавления и особенности химического «поведения». К своему собственному удивлению, Менделеев обнаружил, что если он особым образом расположит карточки горизонтальными рядами, в порядке возрастания атомного веса элементов, то в вертикальных колонках выстроятся элементы с одним и тем же «поведением». Периодическая система свойств химических элементов, открытая Менделеевым, говорила ученым о том, что атомы должны состоять из еще более мелких частиц, – то есть то же, о чем сообщала система весов элементов, выявленная Праутом.
На исходе девятнадцатого века крохотный кирпичик атома наконец-то явился на свет. Для того чтобы вырвать его из атома, кембриджский физик Джозеф Джон Томсон использовал ток высокого напряжения. «Электрон» – носитель электричества, поиски которого велись столь долго, – оказался фантастически мал. По измерениям Томсона, его «вес» составлял всего лишь одну двухтысячную от массы водорода, легчайшего из атомов. Этого было слишком мало, чтобы электрон оказался одним из тех субатомных кирпичиков, о которых рассуждал Праут. Также оставалось совершенно непонятным, какой может быть связь между этой крохотной частичкой и периодической системой химических свойств атомов, открытой Менделеевым. Однако электрон позволил ученым сделать первый штрих на картине внутреннего устройства атома.
Электрон несет «отрицательный» электрический заряд. Никто толком не знает, что же такое электрический заряд, известно только, что у него есть два конкретных имени – «плюс» и «минус», то есть заряды бывают положительные и отрицательные. Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются. Поскольку в повседневной жизни мы не обнаруживаем никакой электрической силы, которая тянула бы нас туда-сюда, мы знаем, что материя в целом должна быть электрически нейтральной: отрицательные заряды полностью уравновешиваются равным количеством положительных зарядов. Но таким образом, и в атоме отрицательный заряд электрона должен уравновешиваться положительным зарядом «чего-то еще». Хотя Томсон не имел ни малейшего представления, чем может быть это «что-то еще», он сумел состряпать весьма убедительную модель атома, изобразив его как расплывчатую сферу с положительным зарядом, в которой крошечные электроны сидят, словно изюминки в рождественском пудинге (в слове «состряпать» ничего обидного нет: эту модель порой так и называют – «пудинговой»).
В начале XX века томсоновская пудинговая модель была уже признанной картиной атома. Но в 1909 году один из гигантов экспериментальной физики перевернул все с ног на голову. Физик Эрнест Резерфорд, родом из Новой Зеландии, был одним из пионеров изучения «радиоактивности». На этот феномен в 1896 году наткнулся французский химик Антуан Анри Беккерель (1852–1908), обнаруживший, что фотопластинки затуманиваются таинственными «лучами», исходящими из образцов, которые содержали уран или торий. Далее эстафетную палочку перехватила Мария Кюри: в 1898 году, в Париже, она установила – совершенно корректно, надо сказать, – что загадочная «радиоактивность» представляет собой свойство атомов. Лучи, исходящие из радиоактивного вещества, были настолько интенсивны, что их можно было обнаружить, даже если в наличии имелось ничтожное количество атомов. Кюри с впечатляющим успехом использовала это свойство атомов, чтобы открыть два, до тех пор неизвестных науке элемента: полоний, который замелькал в заголовках мировой прессы в 2006 году, когда в Лондоне им был отравлен российский диссидент Александр Литвиненко, и радий.
В том же году, когда Мария Кюри открыла, что радиоактивность – это свойство атомов, работавший в Монреале Резерфорд обнаружил, что за радиоактивностью кроется испускание атомами двух совершенно разных типов лучей, которые он окрестил альфа– и бета-лучами. Ученый довольно быстро доказал, что бета-лучи представляли собой электроны, но с альфа-лучами пришлось повозиться. Лишь в 1903 году, когда Резерфорд работал в Манчестере вместе с молодым немецким студентом-физиком Гансом Гейгером, им удалось получить из образца радия достаточно большое количество альфа-лучей, чтобы понять, что это такое. Оказалось, эти загадочные лучи – вот уж чего никто не мог ожидать! – состояли из атомов гелия, второго наилегчайшего элемента после водорода [19]19
По сути, альфа-лучи, испускаемые радием, – не что иное, как ядраатомов гелия, но тут мы немного забегаем вперед. Просто к тому моменту, когда Резерфорд обнаружил их, они уже соединились с электронами, и получились именно атомыгелия. (Прим. автора).
[Закрыть]. Все указывало на то, что в ходе процесса, который был назван «радиоактивностью», один тип атома – радий – исторгал из себя другой тип атома – гелий. И это было еще одним свидетельством в пользу того, что атом состоит из более мелких частиц.
В конечном итоге Резерфорд решил загадку радиоактивности. Радиоактивный атом, как установили в 1901–1903 годах Резерфорд и работавший под его руководством химик Фредерик Содди (1877–1956), – это не что иное, как тяжелый атом, страдающий нестабильностью. Он просто бурлит от избытка энергии. В конце концов он сбрасывает этот избыток в виде альфа– или бета-частицы и, проделывая это, «расщепляется», или «распадается», становясь атомом элемента с меньшим атомным весом [20]20
На самом деле есть еще третий тип лучей, которые может испускать радиоактивное вещество. Это «гамма-излучение» – высокоэнергетическое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны. (Прим. автора).
[Закрыть]. Но Резерфорду вовсе не обязательно было знать, что такое радиоактивность, для того чтобы найти способ «заглянуть» внутрь атома. В 1903 году он измерил скорость альфа-частиц, излучаемых радием, и обнаружил, что она невероятно велика – 25 000 километров в секунду, вполне достаточно, чтобы обогнуть пол-Земли менее чем за секунду. Образец радия походил на крохотный пулемет, выпускающий очереди субатомных пуль со сверхвысокой скоростью. Резерфорд понял, что это был превосходный инструмент для исследования внутренностей атома.
Его идея заключалась в том, чтобы обстрелять из радиевого «пулемета» тонкую фольгу. Проходя сквозь фольгу, некоторые альфа-частицы будут неизбежно отклоняться от своего пути, и по тому, как именно они будут отклоняться, Резерфорд надеялся сделать заключение о внутренней структуре атомов материала, из которого состояла фольга. Это все равно что обстрелять теннисными мячами какой-нибудь загадочный предмет меблировки и, определив направления, в которых отскакивают мячи, определить, что там такое было – стул, стол или же кухонный буфет. В поисках ответа на вопрос о внутренностях атома Резерфорд совершенно гениально задумал взять атом и… обернуть его против самого себя! Он решил использовать один тип атома – атом гелия, изрыгаемый радием, – чтобы создать представление об устройстве совершенно другого типа атома.
Альфа-частица в четыре раза тяжелее атома водорода и, таким образом, примерно в 8000 раз весомее электрона. Поэтому Резерфорд ожидал, что альфа-пули, выпущенные из его радиевого автомата, прошьют тонкую фольгу насквозь. У них было столько же шансов отразиться от электронов внутри атома, сколько у пули – отскочить от тучи комаров.
Резерфорд поручил проведение эксперимента Гансу Гейгеру и студенту из Новой Зеландии Эрнесту Марсдену. Их радиевый пулемет палил альфа-пулями по тонкой золотой фольге. Затем Гейгер и Марсден, которые через пять лет будут палить друг в друга настоящими пулями, находясь по разные стороны Западного фронта, должны были измерять отклонения альфа-частиц. Как и следовало ожидать, никаких существенных отклонений не наблюдалось. Затем в один прекрасный день Резерфорд просунул голову в дверь лаборатории и предложил нечто совершенно нелепое. Он попросил Гейгера и Марсдена посмотреть, не отскакивают ли альфа-частицы от золотой фольги назад.
Увидеть альфа-частицу, которая отрикошетила бы от фольги назад, – это все равно что, пустив пулю в тучу комаров, увидеть, как она отскакивает и возвращается в том направлении, откуда пришла. Однако гении тем и отличаются – а Резерфорд был величайшим физиком-экспериментатором двадцатого века, – что они всегда готовы к неожиданностям и никогда не позволят предвзятости, диктуемой теорией, ограничить их поле зрения и помешать увидеть то, что являет их глазам природа. И Резерфорд был вознагражден. Спустя три дня после того, как он высказал свою просьбу, Гейгер и Марсден ворвались в его кабинет с невероятной новостью. На каждые восемь тысяч альфа-частиц, выстреливаемых в золотую фольгу, одна возвращается обратно. Как вспоминал позднее Резерфорд: «Это было, пожалуй, самым невероятным событием, какое я когда-либо переживал в моей жизни».
Резерфорду понадобились два года, чтобы обосновать ошеломительный результат, полученный Гейгером и Марсденом. Если альфа-частица натыкается на что-то внутри атома и это «что-то» не просто останавливает ее, но отбрасывает частицу так, что она возвращается тем же путем, которым пришла, значит, таинственное нечто должно быть куда массивнее альфа-частицы. Плюс ко всему оно должно занимать поразительно малую часть объема атома: уж больно крохотная получается мишень, если в нее попадает лишь одна на восемь тысяч частиц.
К 1911 году Резерфорд провел уже достаточно много экспериментов, чтобы прийти к выводу о внутренней структуре атома. Не было никаких крошечных электронов-«изюминок», сидящих в рыхлом тесте положительного заряда, как то представлял себе Томсон; вместо этого электроны порхали вокруг маленького, положительно заряженного узелка в центре атома. Мощная сила отталкивания, заставляющая альфа-частицу совершить разворот на 180°, могла возникнуть только в том случае, если природа втиснула большой положительный заряд в чрезвычайно малый объем. По оценке Резерфорда, плотный узелок положительного заряда должен был быть ужасно тяжелым – на него приходилось не менее 99,9 % массы всего атома. Резерфордовская модель атома была невообразимо далека от «рождественского пудинга» Томсона. Атом походил на миниатюрную Солнечную систему, где электроны, подобно планетам, кружились вокруг своего Солнца – атомного «ядра» [21]21
Термин «ядро» не использовался до 1912 года. (Прим. автора).
[Закрыть].
Коллега Резерфорда по Кембриджскому университету, знаменитый писатель и физик Чарлз Перси Сноу (1905–1980), отметил:
«Как только Резерфорд начал заниматься радиоактивностью, это стало делом всей его жизни. Его идеи были просты, грубы и наглядны, во всяком случае, так он их излагал. Он думал об атомах так, словно они были теннисными мячами. Ему удалось открыть частицы меньше атомов и выяснить, как они движутся и сталкиваются. Иногда частицы сталкивались не так, как обычно. Исследовав эти случаи, он создал новую, но, как обычно, простую картину происходящего. Таким путем – с той же уверенностью, с какой бродит лунатик, – он пришел от неустойчивых радиоактивных атомов к открытию атомного ядра и структуры атома» [22]22
Из эссе Чарлза Перси Сноу «Резерфорд». Перевод Г. Льва. Цит. по: Ч. П. Сноу. Портреты и размышления. – М.: Прогресс, 1985.
[Закрыть].
Резерфорд оказался в Англии по счастливой случайности. Его стипендию Кембриджского университета поначалу выиграл другой новозеландец, обошедший Резерфорда по рейтингу. Однако в последний момент тот человек женился, и стипендия перешла к претенденту, значившемуся строчкой ниже. Резерфорд был крупным человеком с громким голосом, властными манерами и буйным характером. Однако даже в последние годы жизни, когда он был уже лордом Резерфордом, лауреатом Нобелевской премии и почитался как один из величайших физиков-экспериментаторов всех времен, у него легко появлялись слезы на глазах при мысли о том, что, не будь одного случайного события, его жизнь сложилась бы совершенно иначе.
Полнейшей неожиданностью как для Резерфорда, так и для всех остальных был размер атомного ядра. Выходило, что оно в 100 000 раз меньше самого атома. Поразительно, но атомы самым необыкновенным образом состояли из одной пустоты. По сути, они настолько «пусты», что если бы удалось выдавить из атомов все свободное пространство, то человечество, в полном его составе, уместилось бы в объеме одного кубика сахара. Но почему же атомы содержат так много пустого пространства? Или если сказать по-другому: почему они столь огромны в сравнении с их сверхмалыми ядрами? Оказывается, эти вопросы нерасторжимо связаны с другим, более фундаментальным вопросом: почему атомы существуют вообще? Ведь по законам физики их… просто не должно быть!
Законы электромагнетизма
Законы физики, о которых пошла речь, – это законы электромагнетизма. Их сформулировал в 1860-е годы шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Как говорилось ранее, Максвеллу удалось свести все электрические и магнитные явления к одному компактному набору уравнений [23]23
См. главу 1. (Прим. автора).
[Закрыть]. Он начал с того, что представил силу, которую магнит оказывает на кусочек металла, как действие призрачного магнитного «силового поля», распространяющегося от магнита в окружающем пространстве. Таким же образом он представил и электрическое «силовое поле», исходящее от электрических зарядов, например от тех, которые путешествуют по проволоке в виде электрического тока.
Однако теория Максвелла не просто описывала поведение электрического и магнитного полей. В ней скрывался большой сюрприз. Изучая уравнения, которые он записал, Максвелл отметил, что они допускают существование волны – волнообразного движения, проходящего сквозь электрическое и магнитное поля. Такая «электромагнитная волна» должна была распространяться в пространстве подобно ряби на поверхности пруда. И в пустом пространстве она обладала характерной скоростью.
Каково же было изумление Максвелла, когда он обнаружил, что эта скорость – скорость света!
До того ни один ученый – если не считать пионера электричества Майкла Фарадея – не заподозрил, что между электричеством, магнетизмом и светом может существовать хоть какая-то связь. Это ведь очень разные явления! Но вот же она, связь-то: уравнения Максвелла ясно показывали, что это волна электричества и магнетизма, распространяющаяся в пустом пространстве со скоростью света. Не нужно было быть гением, чтобы догадаться: эти две вещи, волна и свет, – одно и то же. Свет, понял Максвелл, и есть электромагнитная волна.
