Текст книги "Открытие Джи - Джи"

Автор книги: Татьяна Гнедина

В лаборатории Томсона появляется Резерфорд

Эверетт позавтракал. Вернее, открыл шкафчик с брикетами для «политического чая» и разгрыз один из них, запивая черно-золотой заваркой, подогретой на спиртовке.

«Политический чай» пили в лаборатории обычно в пять часов. Это был час обсуждения любых проблем, кроме физики. Разговор о науке запрещался – зато болтовня на светские темы, начиная со спорта и живописи и кончая политической сенсацией, всемерно поощрялась словоохотливым шефом, который сам был мастером остроумной беседы.

В комнате полутемно. Слабо фосфоресцирует трубка с катодными лучами. Пучок лучей падает в виде веера на разграфленную стеклянную пластинку. Его легко отклонить магнитом. Свечение стекла пересекается темными полосами. Это магнитный спектр катодных лучей. Эверетт фотографировал его уже несколько раз. Он встал рядом с Джи-Джи, чуть видимый в призрачном свете газоразрядной трубки, готовый немедленно накинуть черную накидку фотоаппарата с раздвижной гармошкой и щелкнуть затвором.

– Не надо, – говорит Джи-Джи. – Мы это уже видели. Давайте попробуем еще раз действие электрического поля. В предыдущей трубке лучи удалось отклонить. А в этой?

Он нетерпеливо подкручивает зажим между конденсатором и батареей. Снова заряжаются пластины, создающие электрическое поле в трубке с катодными лучами. Щелкает переключатель. Электрическое поле включено. Веер катодных лучей резко качнулся вправо.

– Два, три, четыре, – считает Эверетт клетки, на которые отклоняется веер лучей. – Электрическое поле снова отклоняет катодные лучи.

– Значит, у немцев просто были плохие вакуумные насосы, – замечает Томсон. – Они не могли откачать остатки газов, и эти-то нейтральные частицы заслоняли катодные лучи от действия электрического поля.

Теперь он включает электромагнит, и на катодные лучи действуют одновременно и электрическое и магнитное поля. Лучи описывают изогнутые траектории.

– Это параболы, – негромко произносит Томсон. – Ведь это замечательно, Эверетт, если лучи будут описывать параболы! По уравнению параболы легко определить отношение массы к заряду! Если, разумеется, эти лучи – частицы, а не волны.

– Кажется, никому еще не удавалось отклонить катодные лучи и в электрическом и в магнитном полях одновременно, – заметил Эверетт.

– Но если мы и сделаем это, – задумчиво проговорил Томсон, – и, может быть, мне удастся рассчитать отношение массы к заряду этих катодных лучей, мы еще ничего не сможем сказать об их истинной природе. Для того чтобы угадать, что такое катодные лучи, надо иметь возможность их с чем-нибудь сравнить. Но с чем?

– Что вы сказали, сэр Джозеф?

– То, что вы слышали, старина. Временно прекращаем исследования катодных лучей. Забудем о тайнах сэра Крукса. Приступим к изучению физики газового разряда.

– Заполнить новые трубки водородом и аргоном? – спрашивает догадливый Эверетт.

– Вот именно. Начнем пропускать электрический ток через газонаполненные приборы. Начнем новую страницу физики. Кстати, Эверетт, наладьте вашу дугу, чтобы она так не шипела. Ведь нам придется теперь каждый день иметь удовольствие наблюдать ее вспышки через кварцевое окошко.

Джи-Джи захотелось поговорить с Эбенизером о чем-нибудь, не относящемся к физике, но спорт исключался, потому что Эверетт прихрамывал, а политикой он не интересовался.

– Сегодня вы играете в гольф, – напомнил Том-сону сам Эверетт.

– Спасибо, старина.

Эверетт был в то время красивым молодым человеком, но в лаборатории казался незаметным в своей неизменной залатанной куртке. Одежда прогорала прежде всего от стеклодувного ремесла. Ведь он еще делал из стекла необыкновенные игрушки и часами простаивал с горелкой в руке. Он выдувал тонкие хризантемы с хрупкими лепестками, застывавшими при легком поддувании раскаленных докрасна капелек стекла в холодной воде. Ему превосходно удавались чертики с тонкими хвостами и острыми стеклянными ушами – они получались у него в один прием, «в одно дыхание», как говорят стеклодувы.

Профессор Томсон исполнял на пирушках Кавендишевской лаборатории куплеты, сочиненные специально для него одним из его учеников.

 
Владею я запасом негодных батарей,
На каждой по два вольта,
Но нет их, хоть убей!
 
 
     Владею я запасом детекторов утечки,
    Но чаще и детекторы дают одну осечку.
    И я зову волшебника, приходит Эверетт,
    И чудом все улажено – утечки больше нет!
 

Сейчас он взял стеклянную трубку под мышку и понес запаивать ее в мастерскую. Но в дверях столкнулся с рослым человеком.

– Простите, могу я видеть мистера Джозефа Джона Томсона?

– Разумеется. – Томсон, поправив очки, легко шагнул навстречу гостю. – Если не ошибаюсь, вы – Эрнст Резерфорд.

– Да. Я получил от вас это письмо. – В руке он бережно держал конверт и сказал «это письмо», как говорят о драгоценности.

Он помнил содержание письма Томсона наизусть:

Проф. Дж. Дж. Томсон

6 Скруп-Террас

Кембридж

…Я буду очень рад, если вы начнете работать в Кавендишевской лаборатории. У нас теперь учреждена ученая степень за научные искания, и тот, кто, проработает в лаборатории два года и сделает оригинальное исследование…

«Тот, кто сделает!» Именно для научных свершений он и прибыл сюда, черт возьми, из Новой Зеландии! И, даже пересекая экватор на клиппере, в день своего рождения 30 августа, он думал прежде всего о будущем научном открытии, ради которого стоило переплыть два океана: Индийский и Атлантический, отделяющие его родной город Пунгареху от Великобритании…

Да, он родился в «стране островов», где некогда мао-рийские племена верили, что бог Мауи выловил Северный остров из океанских глубин.

Однако наступило время, когда этот благословенный остров «выловили» для себя англичане. Им удалось это без особого труда. Мирные, простодушные маорийцы были оттеснены с плодородных земель, а пришельцы из северного полушария выстроили свои европейские дома и начали обрабатывать плантации редких культур, которые давали Великобритании большие прибыли. Новая заокеанская колония Британской империи звалась там, на севере, «страной Антиподов», то есть «краем Земли, где все противоположно северному полушарию». Англия присваивала городам Новой Зеландии (считая их своим зеркальным отражением) такие же названия, как у себя дома: там был и Кентербери, и Крайстчерч, и даже три колледжа, составлявшие на правах самоуправления Новозеландский университет – подобие Кембриджа. И в нем были развешаны портреты ученых так же, как в лабораториях «Великой Англии».

Портрета Томсона тогда среди них еще не было. Но его замечательные исследования были хорошо известны профессорам Новозеландского университета, хотя Джи-Джи еще не попал в разряд «великих». Он еще не совершил своего главного научного открытия.

– Превосходно сделали, что сразу приехали, – говорит Томсон.

Резерфорд смотрит на Томсона: перед ним – маяк долгожданной Земли, к которой он стремился через столько преград – географических и научных. Ведь для того, чтобы получить право заниматься исследованиями в знаменитой Кавендишевской лаборатории, надо было завоевать почетную стипендию 150 фунтов стерлингов, которую Великобритания присуждает особо выдающимся молодым ученым из колониальных стран. Надо было быть первым во всех университетских испытаниях.

Тут Джи-Джи задает долгожданный вопрос:

– Вы привезли свой прибор? Эрнст радостно краснеет.

– Да.

И при этом отчаянно злится на себя. Конечно, он выглядит смехотворно: двухметровый «рисерч-стью-дент» краснеет, как ребенок. Стараясь сохранить невозмутимость, он сидит перед Томсоном, положив на колени свои огромные, загорелые руки новозеландского фермера. Давно ли он выкапывал картошку на ферме отца, и, прочитав долгожданное извещение, принесенное почтальоном, заорал: «Это последняя картошка, которую я выкопал!»

– Отлично. Вы сможете работать у нас в лаборатории над детектором волн Герца.

Томсон предлагает новозеландцу комнату на третьем этаже Кавендишевской лаборатории. Там уже работают молодые кембриджские соискатели. Они встретят загорелого гиганта насмешливой кличкой «дикий кролик из страны Антиподов». Кто-то из них даже бросит вслед: «Киви, киви». Да, киви – новозеландская птица, большая, но не летающая. И шутникам кажется, что выдумка их особо удачна: заморский атлет – велик, но «взлететь» вряд ли сможет.

Резерфорд с любопытством рассматривает Джи-Джи – самого молодого преемника знаменитого Максвелла:

Худощавое, продолговатое лицо, выразительно вылепленный лоб и глубокие складки, спускающиеся от тонкого носа к углам рта. Вероятно, он может быть и властен и мягок. Пожалуй, твердый взгляд хорошего игрока в гольф. На вид – типичный кембриджский студент…

Рентген посылает новогодние поздравления

Резерфорду не пришлось долго заниматься детектором волн Герца, хотя работа началась блестяще: статья была опубликована в журнале Королевского общества, прибор продемонстрирован на конгрессе Британской ассоциации, а сам Резерфорд принят в несколько научных клубов и приглашен на первый почетный банкет среди профессоров, членов колледжа. В лабиринте кембриджских знаков отличия – этот обед считался очень важным событием. И хотя Резерфорд не был тогда ни профессором, ни членом колледжа, его опыты с приемником радиоволн привлекли к себе острый интерес ученых. И никто еще не знал о том, что в это же время, в 1895 году на островах близ Петербурга русский морской офицер Александр Попов испытывает подобную установку для радиосвязи между кораблями.

А пока Александр Попов докладывая на заседании Петербургского научного общества о своем изобретении, кембриджские светила чествовали молодого новозеландца на традиционном банкете.

«…Все студенты встали, когда мы вошли, и, естественно, всем им хотелось узнать, какого дьявола затесался среди членов колледжа такой юнец, как я. Была произнесена молитва, и был подан обед. Довольно легко завязалась беседа…»

Однако когда миновала пора обедов и торжественных церемоний, выяснилось, что синьор Маркони, бойкий итальянец из Болоньи, уже запатентовал свое авторство на «новый способ передачи сигнализации через пространство». Английское министерство почт решило заключить договор с итальянским изобретателем, который самолично прибыл для проведения опытов. Технический секрет своего открытия Маркони тщательно оберегал от широкого распространения. Но когда опасность соперничества миновала, выяснилось, что его таинственный приемник был точной копией грозоотметчика Александра Попова, описанного им на страницах «Журнала Русского физико-химического общества» в 1895 году.

Резерфорду же, как ни странно, некогда было переживать свое разочарование: в Кавендишевской лаборатории произошло событие, поразившее всех.

Пятидесятилетний профессор Вюрцбергского университета Вильгельм Конрад Рентген решил поздравить своих коллег с наступающим 1896 годом. По старому немецкому обычаю, он отправил первого января красочные праздничные конверты, в которые были вложены довольно странные знаки поздравления.

Это были изображения человеческой руки в натуральную величину с ясно видимыми костями, а также кошелька с монетами внутри и связки ключей внутри деревянного ящика. Все это было сфотографировано при помощи нового вида лучей, проникающих сквозь непрозрачные вещества и оставляющие тень от плотных предметов на фотографической пластинке.

Профессор Рентген назвал их икс-лучами, потому что не знал, что они собой представляют.

Тотчас по получении удивительных новогодних поздравлений все бросились доставать индукционные катушки Румкорфа с прерывателем и вакуумные насосы. Стало известно, что икс-лучи можно получить с помощью вакуумных трубок, если возбуждать в них электрический разряд индукционной катушкой Румкорфа. От этих трубок, оказывается, исходило проникающее, невидимое излучение, которого раньше никто не замечал. По сути дела, эти икс-лучи исходили от тех же «трубок Крукса» с катодными лучами. А их умели выдувать все стеклодувы.

Однако если в Кембридже сообщение о новых лучах было встречено бурной радостью и живым интересом, то в лаборатории немецкого физика Филипа Ленарда зловещая атмосфера усугубилась еще больше.

После того как этот угрюмый ассистент профессора Герца побывал в пансионе миссис Кемп и пытался узнать, чем занимается Томсон, он пришел к выводу, что Джи-Джи не является его соперником по исследованию катодных лучей. Фанатически одержимый немец преклонялся только перед авторитетом Крукса. Он вычитал из его работ описание явлений в катодно-лучевых трубках и счел себя на пути к раскрытию их тайн.

Для этого он решил воспользоваться не только своими, но и чужими, давно забытыми работами.

Он разыскал на чердаке лаборатории старые приборы своего соотечественника, физика Гольдштейна, и повторил его эксперименты с катодными лучами. Ленард был достойный подражатель, в этом ему отказать нельзя. Затем он занялся собственными исследованиями и, вставив в одну из стеклянных вакуумных трубок окошко из алюминиевой фольги, вывел катодные лучи наружу. Правда, и это не было его открытием, потому что первым обнаружил прохождение катодных лучей сквозь золотую и алюминиевую фольгу его учитель – Генрих Герц. Но Ленард недаром считал себя немцем, умеющим повиноваться. Он повиновался своему шефу Генриху Герцу… и тихо присвоил себе его открытие.

В то новогоднее утро, когда Вильгельм Рентген щедро рассылал своим коллегам первые результаты обнаруженного им нового излучения, Ленард ничего не подозревал. Он отложил в сторону неразрезанную брошюру Рентгена, купленную в газетном ларьке по дороге в лабораторию. Ленард был скуп и не торопился разрезать страницы, пока не убеждался в том, что в лабораторию не поступили бесплатные экземпляры статьи. Бесплатное издание так и не поступило. Прошло время, и до Ленарда дошли слухи о необычайном открытии Рентгена. Тут только он бросился к своему огромному столу и, уже не мешкая, взрезал острым ногтем указательного пальца толстые страницы. Впечатление превзошло все ожидания! Его обокрали! Начисто! Ведь это он первый вывел из круксовой трубки лучи наружу! Именно он, а не Рентген открыл икс-лучи! Вернее… Тут он задумался: вернее, что икс-лучи вовсе никакие не «икс», а просто катодные, вырвавшиеся из трубки. Оба они – и Рентген и Ленард – вывели их наружу. А если это не так, то дело запутывается: икс-лучи действительно открыл Рентген, а Ленард всего лишь вывел катодные лучи наружу.

Отбросив пока научную сторону дела, Ленард занялся усиленным сутяжничеством эа присвоение ему авторства открытия «мкс-лучей». В этом он понимал толк, и Лондонское Королевское общество уступило: ему вручили почетную медаль Румфорда вместе с Рентгеном. Научный мир еще не знал разницы между катодными и рентгеновыми лучами. Это было на заре развития электроники. Ленард ловко воспользовался этой неопределенностью в своих корыстных целях. По существу, он ошибочно принял оба вида лучей, вырвавшихся из катодных трубок, за один и тот же вид излучения.

А стратегия будущей большой науки продвигалась иными путями. В игру вошел Джи-Джи с его гениальной интуицией и бесстрашным обобщением. Началось знаменитое исследование, закончившееся открытием электрона.

Счет ведется на минуты… Но проходят годы

В двадцатых числах января все того же 1896 года Томсон попросил Эрнста Резерфорда спуститься с третьего этажа в его кабинет. Не было никаких разговоров о гольфе. Никаких чаепитий с черствыми брикетами. Никаких любезностей. И никакой отсрочки времени. Сейчас самое главное – лучи Рентгена, мощный возбудитель электрической проводимости в газоразрядных трубках. Получив в руки этот источник, гораздо более мощный, чем ультрафиолетовое излучение от дуги, можно разгадать механизм прохождения электрического тока через газы.

Итак, проблема икс-лучей была поставлена совершенно по-новому. Кроме изготовления «глубинных» фотографий, рентгеновы лучи были поставлены на службу газовому электрическому разряду.

28 января Джи-Джи в первый раз подверг рентгеновскому облучению сосуд с газом. Электрически не заряженньй* нейтральный газ под действием икс-лучей становился проводником электричества. После прекращения облучения он снова возвращался в исходное состояние. Таким образом, можно было легко возбуждать и уничтожать свойство газа проводить электрический ток. Томсон и Резерфорд, не прерывая ни на один день стремительный натиск экспериментально-теоретического исследования, вторглись в неизведанные «белые пятна» физики. Были испробованы многие газы при разных давлениях. Наблюдались удивительные веера яркого свечения, бегущие темные полосы, факельные, багровые разряды… Измерители тока показывали неожиданные пики и спады. Эффекты, связанные с прохождением тока через газы, захлестывали друг друга, как необузданная стихия. Ведь о физике газового разряда ничего не было известно. (Как, впрочем, и сегодня о некоторых ее проблемах.) Но тогда оставалось неизвестным самое главное: что является переносчиком электрических зарядов в облученном газе?

Сначала возникло представление, что переносчики эти довольно велики: величиной с частицу табачного дыма или пылинку. Но потом мысль пошла по более верному пути: переносчики зарядов очень малы, это обломки молекул газов. И, наконец, в совместной работе Томсон и Резерфорд пришли к выводу, что обломки молекул сходны с электрически заряженными ионами в электролитах, но из осторожности назвали их сначала «проводящими частицами». Кроме того, неизвестно было, каковы сами носители зарядов, оторвавшиеся от этих обломков. Может быть, они имеют еще меньшую величину, чем ионы в электролитах? Джи-Джи не говорил открыто о своих предположениях. Он тогда еще молчал. «Проводящие частицы» постепенно становились «добрыми знакомыми», и их все чаще называли «ионами». Наконец была окончательно доказана их тождественность с жидкими электролитами. Но разница была весьма существенна: в электролитах ионы существуют всегда, а в газе только под действием внешнего ионизатора. Как только его убирают – ионы в газе исчезают, рекомбинируя, то есть объединяясь снова в нейтральные молекулы газа.

 
Средь катушек и спиралей,
Среди воска в клубах пыли
Здесь ионы погибали,
Те, что атомами были.
 
 
О, голубчики-ионы! Как же вас жалею я!
Вы исчезнете бесследно,
Все рекомбинируя!
 
 
И почти без электродов,
В трубке с газовым разрядом
Создаете вы свеченье,
Двигаясь за рядом ряд…
 

Дальше в лабораторной песенке шло подробное описание того, как именно происходит ионизация газа. Этим были увлечены все рыцари Джи-Джи: и Резерфорд, и Таунсенд, и Вильсон, и Поль Ланжевен, и Мак-Клелланд.

Тем временем стратегия Джи-Джи снова изменила свое направление: была поставлена задача определения массы и заряда переносчиков электричества в облученных газах. Отношение массы к заряду в катодных лучах оказалось столь малым, что могло возникнуть только одно предположение: он имеет дело с новыми универсальными частицами, в тысячу раз меньшими, чем самый легкий атом – водород.

И Томсон не ошибся. Воплотилась в жизнь его старая мечта сделать открытие универсального закона природы. И он действительно открыл существование первой элементарной частицы – единой для любых веществ.

…Томсон и Эверетт работали месяцами. Резерфорд уже сделал свой вклад в открытие: он измерил подвижность ионов в газовом разряде, и это облегчило дальнейшие исследования.

Но главное происходило в двух комнатах на первом этаже Кавендишевской лаборатории. Здесь были получены результаты, оповестившие научную общественность о существовании «четвертого состояния вещества»: первое состояние – твердое тело; второе – жидкость, третье – газ; четвертое – мельчайшие отрицательные корпускулы. Их масса в тысячу раз меньше массы самого легкого атома – водорода…

Новорожденная частица

«…Меньшая, чем самый легкий атом – водород». Легко сказать! Ведь даже в пределах грубейших ошибок Джи-Джи следовало принять малость измеренного им отношения массы к заряду в 1000 раз меньшую по сравнению с водородом!

Это было слишком ошеломляющим даже для привыкших к самообладанию кембриджских джентльменов.

Выходя с вечернего заседания Королевского общества в очередную пятницу 30 апреля 1897 года, Джи-Джи чувствовал на себе осторожные взгляды высокочтимых коллег. Один из них, раскуривая трубку, слегка пожал плечами.

– Я думал тогда, что он нам просто морочит голову, – сознался этот джентльмен.

Зато шквал идей охватил снизу доверху все здание Кавендишевской лаборатории. На всех этажах спорили о «четвертом состоянии вещества». Если томсоновская корпускула так мала, то что же представляет собой сам атом? Ведь то, что он не вихрь, подобный кольцам дыма, уже давно ясно. Как же он все-таки устроен?

Первая модель атома, предложенная Томсоном, была названа «кексом с изюмом» по желанию его пятилетнего сына Джорджа, который был большим любителем этого лакомства. Впрочем, томсоновский атом, как он его себе представлял, действительно напоминал кекс с изюмом: в положительно заряженное пространство атома вкраплены, как изюминки, отрицательные корпускулы. Они еще тогда не получили своего названия. Слово «электрон» уже существовало, но обозначало единицу измерения электричества в одной из систем, предложенной Джонсоном Стоней. Система пролежала под сукном много лет, но термин «электрон» выжил и появился на свет для другой роли: он стал обозначать первую частицу материи.

Пятилетний Джордж гордился своим участием в научном открытии и гордо съедал свою порцию кекса с изюмом, приобщаясь к идеям отца.

Дружба между отцом и сыном началась очень рано. Джордж любил забираться в уголок лаборатории и, взяв кусок воска, размягчать его на газовой горелке. Иногда он молча следил за красочным свечением газового разряда, слушая напряженное жужжание трансформаторов. Он допускался в лабораторию при одном условии: никаких вопросов, потому что их возникало у Джорджа такое великое множество, что на них не смогли бы ответить все «рыцари Джи-Джи», вместе взятые.

Потом Томсон стал брать его на площадку для игры в гольф. Здесь Джордж был тоже послушен, как овечка, он знал, что его участие в игре основано на выполнении обязанностей мальчика для разыскивания мячей. Малейший каприз – и он будет удален с поля.

Между тем здесь свершались великолепные сражения между его отцом и начинающими игроками в гольф. К счастью, маленький Джордж не подозревал о том, что могут быть более искусные игроки, чем Джи-Джи. Ведь Томсон играл в гольф весьма посредственно. Так же играл и Резерфорд, который, несмотря на атлетическое сложение, спортом как следует не занимался.

…В один из осенних дней 1898 года Джи-Джи взял с собой Джорджа на прощальную игру в гольф с Резерфордом.

Еще подходя к глинистой поляне, изрытой кротовыми ямами, Джорджу стало необычно грустно. Площадка для гольфа выглядела заброшенной не только потому, что кончался летний сезон. Эрнст Резерфорд уезжал из Англии куда-то очень далеко, в заокеанскую Канаду. На много лет. Может быть, навсегда.

– А ну-ка, мой мальчик, подай мне пару мячей! – загремел голос Резерфорда. Он закатал штанины до колен и, не мешкая, погнал мяч к ближайшей ямке.

Джи-Джи сосредоточенно осмотрел размытую дождем поляну и осторожно двинул клюшкой мяч.

Задача игрока в гольф состоит в том, чтобы при помощи деревянной битки загнать мяч возможно меньшим числом ударов в ямки, расположенные от старта на расстоянии 500 метров. И если это расстояние пройдено, скажем, за 80 ударов, в то время как противник сделал 81, то первый игрок выиграл.

Резерфорд сделал второй мощный удар по мячу и, распевая «Вперед, солдаты Христа!», погнал мяч дальше. Мяч влетел в канаву.

– Вперед, мой мальчик! – крикнул он Джорджу, и маленький Томсон прыгнул в канаву за мячом.

А Джи-Джи планомерно подбирался к центральной ямке. Победа его так радовала, что он даже забыл об отъезде Резерфорда. По правилам гольфа противники могут продвигаться по местности, не видя друг друга, а счет попаданий ведет мальчик, подающий мячи. Джордж отлично бегал и успевал подсчитать число голов обоих противников.

Сейчас будущий исследователь волновой природы электрона Джордж Томсон остановился рядом с партнером отца – Резерфордом, который опровергнет томсоновскую атомную модель, похожую на кекс с изюмом, а Джордж дополнит корпускулярное представление о новой частице ее волновыми свойствами.

И вот две фигуры – большая и маленькая – стоят на осеннем поле и смотрят вслед уходящему Джи-Джи…