Почему атомы повсюду танцуют рок-н-ролл

Тот 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 [12]

И может, это потому, что атомам моим на месте не сидится, им хочется повсюду пускаться в рок-н-ролл…

Адриан Митчелл («Солнце меня любит», из сборника «Сердце слева. Стихотворения 1953–1984 гг.») [13]

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 [14]. 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[15], 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»[16]. 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 [17]. 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 [18]. 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 [19]. 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» [20].

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»[21].

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!