Текст книги "Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки"

Однажды на конференции Эренгафт продемонстрировал аудитории некий предмет, зажатый в кулаке, заявляя, что это есть доказательство существования монополей. Пикантная ситуация имела место и в 1946 году, на ежегодном собрании Американского физического общества в Нью-Йорке. Американский физик Абрахам Пайс выступал с докладом, его внезапно прервал Эренгафт, которому к тому времени уже было семьдесят лет, но который, несмотря ни на что, продолжал отстаивать свою теорию монополей. Он попытался пробиться к трибуне, требуя, чтобы его выслушали, однако его остановили и вежливо вывели из аудитории.

Физик Герберт Голдстейн сидел рядом со своим наставником Арнольдом Зигертом.

– Теория Пайса намного безумнее теории Эренгафта, – заметил Голдстейн. – Но почему же мы считаем Пайса физиком, а Эренгафта идиотом?

Зигерт задумался на мгновение.

– Потому, – ответил он после недолгой паузы, – что Эренгафт верит в свою теорию¹¹⁷.

Сила убежденности Эренгафта в собственной правоте, по мнению Зигерта, мешала нормальному – то есть критически-ироничному – отношению к своей работе, которое требуется любому ученому, чтобы уметь идти на риск и импровизировать (недаром Ницше полагал, что убежденность – гораздо больший враг истины, нежели ложь).

* * *

Но были ли у Эренгафта какие-либо основания утверждать, что Милликен подтасовал свои данные? Джеральд Холтон внимательно проанализировал лабораторные записи Милликена, на которых была основана его статья 1913 года, и обнаружил, что на самом деле Милликен отследил поведение 140 капель, а не 58, как он утверждал. Таким образом, заявление Милликена, что капли «не были специально отобраны» и что в анализ были «включены все капли, с которыми проводился эксперимент в течение 60 дней подряд», – неправда. Возможно, у многих подобное открытие вызвало бы гримасу возмущения, однако самого Холтона это не слишком обеспокоило. Он высказал два возможных объяснения происшедшего. Одно из них – полемика с Эренгафтом. Милликен, совершенно убежденный в своей правоте, все же не хотел давать оппоненту дополнительные козыри, которые еще больше запутали бы проблему. Вторая причина того, что экспериментатор не упомянул целый ряд капель, становится ясна из длинного перечня причин ошибок в эксперименте, описание которых Холтон обнаружил в лабораторных заметках: «Напряжение батарей упало; в манометр не поступает воздух; частые нарушения из-за конвекции; нужно поддерживать более постоянное расстояние; имеют место ошибки секундомера; распылитель не работает».

Другими словами, Милликен вообще не рассматривал «опущенные» восемьдесят две капли как научно достоверную информацию. В лабораторных записях Милликена проводится четкое различение между каплями, наблюдение над которыми проводилось при более или менее идеальных условиях (их он часто характеризует как «красивые»), и каплями, в наблюдение за которыми вкралась та или иная ошибка. Вот образец записей, взятый Холтоном из заметок Милликена, сделанных в течение последней недели эксперимента:

«Красота. Температура и условия идеальны, никакой конвекции. Опубликовать [8 апреля 1912].

Опубликовать, красиво [10 апреля 1912].

Красиво, опубликовать [перечеркнуто и заменено] появилось броуновское [10 апреля 1912].

Идеально, опубликовать [11 апреля 1912].

Одно из лучших [12 апреля 1912].

Самое лучшее со всех возможных точек зрения [13 апреля 1912].

Красиво, для демонстрации соответствия между двумя методами получения v₁ + v₂. Точно опубликовать [15 апреля 1912].

Опубликовать. Подходит для демонстрации двух методов получения v… Нет. Что-то не то с температурой»¹¹⁸.

Таким образом, Милликен публиковал данные наблюдений по отобранным каплям, а чтобы избежать дальнейшей критики со стороны Эренгафта, не сообщал о тех каплях, информацию о которых отбросил, рассматривая ее как не представляющую научный интерес. Зато Эренгафт со своими ассистентами, пишет далее Холтон, напротив, «с удивительным усердием собирал всю полученную информацию – и „хорошую“, и „плохую“, и „нейтральную“». Ценность всех наблюдений его группа считала одинаковой.

С тех самых пор, как была опубликована статья Холтона, историки, журналисты и ученые продолжают обсуждать этические аспекты экспериментальных процедур Милликена и их ценность. В большей части публикаций история Милликена описывается как некий пример стремления полностью прояснить исследуемую проблему, при этом подчистив и пригладив часть результатов, чтобы в конечном итоге создать некую достаточно убедительную демонстрацию. Историк науки Уллика Сегерстрале сухо описывает историю получения Робертом Милликеном Нобелевской премии и замечает, что его исследования часто приводятся как пример в «воспитательных целях»¹¹⁹, причем с полярно противоположными оценками: с одной стороны – «блестящий научный эксперимент», а с другой стороны – «бесстыдная фальсификация».

По понятным причинам некоторые журналисты и популяризаторы науки, бегло ознакомившись со статьей Холтона, сосредоточились на каплях, пропущенных Милликеном, и в особенности на его лживом утверждении в статье 1913 года, где он написал, что привел в ней все результаты своих наблюдений. С точки зрения этих критиков, нобелевский лауреат явно повинен в научной недобросовестности и даже в подлоге¹²⁰. В книге «Предатели истины: подлог и обман в научных аудиториях», опубликованной в 1983 году, журналисты Уильям Брод и Николас Уэйд пишут: «Милликен постоянно искажал результаты своих исследований с тем, чтобы они выглядели более убедительными по сравнению с реальным положением дел»¹²¹. Израильский вирусолог Александр Кон упоминает Милликена в своей книге «Ложные пророки: мошенничество и ошибки в науке и медицине», хотя автора возмущает не столько пропуск определенных данных в публикации, сколько пренебрежение Милликена вкладом в научные исследования, сделанным его студентом Флетчером.

С другой стороны, некоторые историки науки превозносят Милликена как эталон ученого, который, как теперь представляется, здраво оценивал надежность научных данных. Эти авторы настаивают, что научное мышление часто основывается не на количественной информации, а на логических рассуждениях, и приводят множество исторических примеров того, как ученые логически верно интерпретировали результаты своих экспериментов, но если бы они руководствовались одними только цифрами, то неизбежно впали бы в заблуждение. И вообще, когда речь заходит о количественных данных, надо сразу признать, что данные данным рознь.

В 1984 году историк науки Аллан Франклин, тщательно проанализировав все результаты, не включенные Милликеном в свою статью, подтвердил, что почти все они были отброшены по причинам, связанным с ошибками в эксперименте. И что даже если бы Милликен включил их в свой анализ, это почти никак не повлияло бы на окончательный результат¹²².

Критиками в подобных случаях чаще выступают те, кого больше волнует моральный урок, который можно извлечь из научного процесса, а не историческая точность и не особенности этого процесса. Обе описанные версии не учитывают всей сложности жизни. Версия «Милликен – плохой ученый» не содержит признания того факта, что не все данные одинаково хороши и что иногда бывает разумно отбросить некоторые из полученных результатов. А версия «Милликен – хороший ученый» не обсуждает проблему полной научной достоверности: ученый, во что бы то ни стало желающий получить нужный результат, решает опубликовать лишь часть полученной информации.

Как указывает Уллика Сегерстрале, данное противоречие возникает из-за применения двух совершенно различных и практически несовместимых подходов к научному процессу. Согласно одному из них, кантианскому (или «деонтологическому»), этически правильное поведение заключается в том, что субъект применяет к себе те же законы, которые можно назвать всеобщими, то есть те, которые одинаковы для всех человеческих существ. С позиций этого подхода, Милликен – плохой ученый, потому что он не следовал общепринятым правилам, которые требуют полностью представлять полученную в ходе исследований информацию.

Однако с прагматической точки зрения основной целью науки считается получение правильного результата, чем как раз и занимался Милликен. Наука, замечает Сегерстрале, – это сфера, отличающаяся такой высокой степенью соревновательности, что те, кто не рвется вперед, получая быстрые (пусть и не совсем точные) результаты, безнадежно отстает и сходит с дистанции.

Из-за споров вокруг этической стороны работы Милликена сложно обсуждать красоту его эксперимента. Однако все-таки стоит попробовать. Прежде всего зададимся вопросом, что же на самом деле видел Милликен. Он всматривался через микроскоп в пространство камеры, которую разработал сам. Устройство представляло собой маленькую сцену для специфического научного спектакля, разыгрываемого совершенно особыми актерами – крошечными каплями масла по нескольку микронов в диаметре. Величина поистине микроскопическая: их диаметр сравним с длиной волны видимого света, который как будто завивался вокруг капель так, что можно было видеть его дифракцию. Появляясь по одной в перекрестии визира, капли представали в виде размазанных дисков, окруженных дифракционными кольцами.

Именно по этой причине Милликен не мог измерить их размер оптическим способом, а вынужден был прибегнуть для измерений к уравнению Стокса. Каждая капля, освещенная дуговой лампой, напоминала Милликену мерцающую звезду на ночном небе. Капли, чрезвычайно чувствительные к состоянию окружающей среды, реагировали на любые потоки воздуха, на столкновения с молекулами воздуха, на электромагнитные поля, которые Милликен использовал для того, чтобы заставить капли двигаться. Он видел, как капли перемещаются вверх и вниз, реагируя на изменение электромагнитного поля. Он видел, как они мечутся под воздействием броуновского движения. Наблюдая за движением капли в электромагнитном поле, он вдруг замечал, что она подскакивает, столкнувшись с другим ионом. «Один электрон оседлал каплю! Мы на самом деле уловили то мгновение, когда электрон оседлал каплю, а затем спрыгнул с нее!»¹²³ Когда капля масла «двигалась вверх с наименьшей возможной для нее скоростью, я был абсолютно уверен, что на ней сидит один изолированный электрон», пишет исследователь. Милликен умел заставлять капли подниматься вверх или опускаться вниз или пребывать совершенно неподвижными.

Экспериментатор хорошо ознакомился с поведением капель и разобрался во всем, что с ними происходит. Это открыло ему совершенно новый аспект окружающего нас мира. Зримое подтверждение того, что в сложных ситуациях предмет наблюдения ведет себя в точном соответствии с хорошо известными законами, вызывает у нас почти чувственное удовольствие. Примерно то же чувствует баскетболист, наблюдающий за мячом, который плавно движется по воздуху, ударяется об обод корзины, затем рикошетит в щит и наконец проваливается в корзину. Более того, процесс, свидетелем которого стал Милликен, демонстрировал нечто поистине основополагающее – фундаментальный электрический заряд. Это была именно та разновидность красоты, о которой в свое время писал Шиллер, – нечто такое, что «вводит нас в мир идей, не уводя из мира чувственных ощущений».

Однажды в Чикаго я решил отыскать место, где Милликен провел свою знаменитую серию экспериментов по измерению заряда электрона, за которую получил Нобелевскую премию, – место, которое было свидетелем решающего мгновения в рождении нашей электронной эпохи. Я отправился в Чикагский университет, прошел в Райерсон-холл, но так и не смог отыскать лабораторию, где были проведены прославленные эксперименты. Среди встреченных мной в университетских коридорах людей не оказалось ни одного, кто смог бы показать мне историческое помещение. Некоторые в ответ на мой вопрос даже спрашивали у меня: «А кто такой этот Милликен?» Секретарь направила меня в университетский отдел связей с общественностью, но и они не смогли мне ничем помочь. Ни малейших следов Милликена и его эксперимента не сохранилось в здании, где сейчас размещается факультет компьютерных технологий. Лабораторные демонстрации и дискуссии о переоценке вклада того или другого ученого будут продолжаться и впредь, но сам эксперимент Милликена, как и большинство научных экспериментов, стал фактом истории, мало кому известным.

Интерлюдия
Особенности научного восприятия

Ученые часто говорят, что они «видят» те объекты, с которыми работают, какими бы крошечными или абстрактными те ни были. Цитогенетик Барбара Макклинток как-то заметила в связи со своими исследованиями хромосом:

«Я обнаружила, что чем больше работаю с хромосомами, тем больше и больше они становятся. Работая с ними, я была буквально рядом с ними. Я стала частью системы. Я была рядом с ними, и все вокруг делалось большим. Я даже могла разглядеть внутренние части хромосом»¹²⁴.

Астрономы часто говорят, что они «видят» планету, обращающуюся вокруг пульсара, хотя на самом деле они лишь уловили в радиоволнах, излучаемых пульсаром, определенные флуктуации, вызванные гравитационным воздействием обращающегося вокруг звезды тела. После того как вокруг Ио, одного из спутников Юпитера, обнаружили натриевое облако, пресса цитировала заявление одного астронома, который сказал, что это «самое крупное постоянно видимое явление в Солнечной системе»¹²⁵.

Подобные формулировки, конечно, не стоит понимать буквально – как и распространенные фразы типа «Вижу, вот-вот пойдет дождь», которые также не подразумевают «видения» в прямом смысле слова. Всем хорошо известно, что истинно научные сущности – от электронов до черных дыр – недоступны непосредственному человеческому зрению. Для их наблюдения необходимо посредничество тех или иных инструментов.

Но насколько важно для разговора о соотношении науки и прекрасного, на самом ли деле ученые видят объект своего исследования? Для большинства из нас красота подразумевает чувственное, непосредственное и интуитивное восприятие объекта. Если же ученые работают только с абстракциями, подобное чувственное восприятие должно быть для них недоступно.

Процесс восприятия в науке – увлекательный и сложный вопрос, однако по своей сути он мало чем отличается от обычного процесса человеческого восприятия¹²⁶. При обычном восприятии мы «видим» не только очертания предметов и цвета, но и гораздо более сложные явления: проявления мужества и мудрости, самообмана и привязанности, честолюбия и авантюризма. Как подобное возможно? В предыдущей главе упоминалось, что, следуя фундаментальному феноменологическому принципу, наше восприятие – не автоматический и заранее предрешенный процесс; оно зависит от того, что мы воспринимаем в качестве переднего плана, а что – в качестве фона и горизонта. Можно сказать, что воспринимаемое нами «считывается», подобно системе знаков на данном конкретном фоне. В повседневном восприятии фон обычно задан заранее, в науке же мы вольны выбирать фон с помощью надежного инструментария и технологий, что позволяет нам воспринимать совершенно новые объекты.

Данный процесс может быть предельно простым – например, определение направления ветра по флюгеру или температуры воздуха по термометру. Но он может быть и значительно более сложным, как, например, наблюдение за электронами в камере Вильсона или наблюдение различных анатомических особенностей в рентгеновском аппарате (последнее в настоящее время доступно не только ученым). На ранних этапах развития физики высоких энергий, до начала активного распространения компьютерной техники, исследователи часто приглашали студентов-гуманитариев и домохозяек на демонстрацию следов мюонов, пионов и других частиц. Человеческое восприятие не всегда функционирует на одном и том же фоне, восприятие можно формировать и развивать.

Всякий раз, когда мы воспринимаем какой-либо объект, мы ощущаем определенную регулярность, повторяемость в его проявлениях. Восприятие письменного стола включает в себя знание, что если мы обойдем вокруг него, то обязательно увидим его противоположную сторону, которая в данный момент нам не видна, зато не будем видеть сторону стола, которая видна нам сейчас. И при этом, несмотря на все эти изменения в нашем ви́дении, будем по-прежнему видеть стол как один и тот же предмет.

Этот имплицитный горизонт проявлений, который «сопровождает» наше видение чего-то как объекта, не является некой мыслительной спекуляцией или нашим предположением. Это как раз и есть то, что мы понимаем под словом «видеть» объект.

Воспринять объект (как обычный, так и научный) – также означает понять особый профиль объекта вместе с горизонтом ожидаемых профилей. Сказанное справедливо даже по отношению к таким обычным предметaм, как, например, яблоко. В последовательности определенных действий – мы подбираем яблоко с земли, поворачиваем его, откусываем – мы сталкиваемся с нарастающей реализацией горизонта профилей. Теоретически нас могут ожидать неожиданности – например, яблоко может быть на самом деле сделано из дерева или стекла, – но мы все равно воспринимаем эту неожиданность в контексте опыта, который перестраивает, но не уничтожает горизонт профилей.

Инвариантами обычного восприятия служат интуитивные образы повторяющихся физических характеристик, в научных же объектах подобные инварианты обычно описываются с помощью соответствующих теорий. Увидеть хромосому, планету, натриевое облако или какой-либо другой научный объект – значит понять, что данный объект подчиняется определенным закономерностям и описательным инвариантам, которые, в свою очередь, зафиксированы в той или иной теории. Будем ли мы продолжать так же воспринимать упомянутые феномены, зависит от того, как их профили реализуют ожидания, порождаемые соответствующими инвариантами¹²⁷.

«Желание узнать» – вот как мы называем наше стремление исследовать наличные и ожидаемые профили некоего феномена, то есть принять участие в увлекательном процессе их реализации. Этот процесс познания можно наблюдать не только у людей, но также и у приматов и других существ. А значит, пишет Максин Шитс-Джонстон, профессор философии Орегонского университета, желание узнать – это не социальный конструкт, но часть нашего эволюционного наследия. Научный темперамент участвует в этом процессе посредством эксперимента, который создает новые и часто неожиданные профили и феномены.

В случае с большинством объектов – чашкой, стулом или даже человеком – нам хорошо известно, что можно ожидать в горизонте профилей. Иногда, правда, мы не только предполагаем, но даже ожидаем столкновения с чем-то непредвиденным. Научный темперамент предполагает открытость к неожиданному. Именно это имел в виду Эйнштейн, когда писал, что «самое прекрасное наше переживание – переживание таинственного. В нем источник истинного искусства и науки»¹²⁸.

В лаборатории с помощью надежных инструментов и технологий можно создать особую ситуацию, в которой новое проявит себя. Одним из примеров такой особой ситуации был аппарат Милликена. Внутри него был создан новый, особый мир, и Милликен его очень хорошо изучил. Он знал все законы этого мира и возможные нарушения этих законов. Ему были понятны типичные процессы, происходящие в этом мире, и ситуации, которые там возможны, и он сразу опознал бы нетипичный процесс или ситуацию, если бы они возникли. Так что абсолютно верно будет сказать, что он действительно видел этот мир и его составные части.

Ученые, подобные Роберту Милликену и Барбаре Макклинток, которые так близко знакомы с миром, который исследуют, обладают способностью буквально видеть объекты этого мира, и это позволяет им видеть в нем и красоту, недоступную остальным.

Рис. 19. Первый набросок ядерной теории строения атома, сделанный Резерфордом, вероятно, зимой 1910–1911 гг.

Глава 9.
У истоков красоты

Резерфорд и атомное ядро

В первом десятилетии двадцатого века английский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937), проведя талантливо разработанный эксперимент, открыл внутреннюю структуру атома. К удивлению других ученых, он обнаружил, что атом состоит из центрального положительно заряженного ядра (где заключена почти вся масса атома), окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. До того момента внутренняя структура материи оставалась одной из тех загадок – наряду с рождением и смертью Вселенной, происхождением жизни и существованием жизни на других планетах, – которые были интересным предметом для рассуждения и всякого рода предположений и гипотез, но не могли стать объектом экспериментального научного исследования. Ученые задавались вопросом: как же исследовать внутреннюю структуру атома, если весь инструментарий, которым мы располагаем, сам состоит из атомов? Это все равно что пытаться установить, что находится внутри одного резинового мяча с помощью другого резинового мяча. Решение этой проблемы Резерфордом знаменовало рождение современной физики элементарных частиц.

Путь Резерфорда к открытию был далеко не прямым. В начале своих исследований ученый и не думал, что по их завершении откроет структуру атома. Только впоследствии он осознал, что для выполнения такого эксперимента и понимания его сути имеются как необходимые инструменты, так и способы использования этих инструментов. Понадобилось определенное время и на то, чтобы убедить окружающих¹²⁹.

* * *

Резерфорд, массивный краснолицый человек с тюленьими усами, отличался необычайной уверенностью в себе, а говорил громко и напористо. Он постоянно требовал от своих ассистентов и сотрудников «быть проще». Когда его просили объяснить причины его успеха, он обычно заявлял: «Я ценю простоту, так как сам всегда был простым человеком»¹³⁰. Это вовсе не пустое бахвальство. Резерфорд превосходно понимал возможности простого оборудования в деле проникновения в самые глубокие тайны природы.

И в самом деле, с точки зрения простоты, глубины и определенности, эксперименты Резерфорда принадлежат к числу самых красивых в истории науки. Его коллега, историк науки Джеймс Джеральд Кроутер, впоследствии отмечал способность простых идей, воплощенных в экспериментах Резерфорда, давать потрясающие по значимости результаты, хотя «можно было бы ожидать, что после трех столетий активного развития физической науки идеи в ее контексте, эволюционируя, должны были неизбежно усложняться и что все простое в ней уже давно должно было быть использовано и израсходовано»¹³¹.

По словам другого его коллеги, химика А. С. Расселла,

«оглядываясь назад, видишь красоту исследовательского метода и ту простоту, с которой была получена истина. Минимум суеты в сочетании с минимальным шансом ошибки. Одним легким движением руки Резерфорду удалось проделать почти немыслимое»¹³².

Резерфорд не проявлял особого интереса к искусству и музыке, разве что в хорошем расположении духа «любил распевать „Вперед, Христово воинство“ – не слишком складно, но с большим задором»¹³³. Тем не менее его подход к проникновению в глубинные структуры Вселенной отличался всеми достоинствами, свойственными истинному художнику: неудержимой энергией, глубоким уважением к материалу, чрезвычайно развитым воображением. Более того, сам Резерфорд как-то заявил, что «процесс научного открытия может рассматриваться как разновидность искусства»¹³⁴.

Но как в искусстве, так и в науке творческий процесс весьма извилист, отступление на исходные позиции – обычное явление, и художники порой осознают смысл своих исканий только по завершении работы. Классическим примером тут является шедевр Резерфорда – открытие ядра атома.

Резерфорд родился в Новой Зеландии и мальчишкой любил возиться с фотокамерами, часами и моделями водяных колес на мельнице отца. В 1895 году молодой одаренный ученый был удостоен особой стипендии и получил место в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, которую историк науки Джон Льюис Хейлброн назвал «колыбелью ядерной физики»¹³⁵. Резерфорд прибыл туда в самом начале волнующей и сложной эпохи в истории физики: в 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи, в 1896-м француз Анри Беккерель открыл явление радиоактивности на примере урана, а в 1897 году их английский коллега Джозеф Джон Томсон, директор Кавендишской лаборатории, открыл электрон.

В напряженной атмосфере активного научного поиска Резерфорду быстро удалось обратить на себя внимание. В 1898 году он покинул «колыбель» и перешел в университет Макгилла в Монреале, где и работал до 1907 года. В ходе изучения явления радиоактивности он сделал неожиданное и очень важное открытие: уран излучает два разных вида радиации. Для демонстрации этого феномена Резерфорд разработал простой и предельно убедительный эксперимент: он покрывал образец урана слоями алюминиевой фольги и затем измерял количество проникавшей сквозь нее радиации. При одном и двух слоях уровень радиации снижался, при трех слоях падал значительно. Однако, как ни странно, четвертый и пятый слой уже не оказывали заметного воздействия, и радиация продолжала проникать сквозь фольгу. Для Резерфорда это стало основанием полагать, что уран излучает два вида радиации, один из которых значительно мощнее другого. Более слабый из них он назвал «альфа-лучами», а более сильный – «бета-лучами», по двум первым буквам греческого алфавита.

Так получилось, что именно альфа-лучи – их природа, поведение и возможности использования – определили суть дальнейшей научной деятельности Резерфорда. Студенты Резерфорда шутливо замечали, что их наставник «случайно создал альфа-частицы, умудрился подчинить их себе, и теперь они вместе творят чудеса». Альфа-частицы станут главным инструментом ученого в открытии внутренней структуры атома, хотя и это открытие тоже будет случайным.

Резерфорд очень скоро понял, что ни альфа-, ни бета-лучи не являются лучами в том же смысле слова, как, скажем, рентгеновские лучи. Они были, скорее, частицами электрически заряженной материи, которые атомы урана выбрасывали из себя по причинам, на тот момент неизвестным. Вскоре выяснилось, что отрицательно заряженные бета-лучи – это поток электронов. Природа же положительно заряженных альфа-лучей первоначально оставалась загадкой, но Резерфорд разрешил ее. Он обратил внимание на то, что масса альфа-частиц близка к массе атомов гелия, но были ли они и в самом деле атомами гелия?

Для проверки этой гипотезы исследователь разработал еще один простой эксперимент. Была изготовлена стеклянная трубка с тонкими, но прочными стенками – чтобы пропускать альфа-лучи и не разрушиться под атмосферным давлением. Трубку заполнили радоном, радиоактивным газом, испускающим альфа-лучи, и вставили ее в еще одну герметичную стеклянную трубку. Из пространства между трубками откачали весь воздух и создали в нем вакуум. Единственное, что могло туда проникнуть, – альфа-лучи, выходившие наружу сквозь стенки внутренней трубки. Резерфорд заметил, что в пространстве между трубками медленно собирался некий газ, причем со скоростью, прямо пропорциональной скорости, с которой альфа-частицы проходили сквозь стенку внутренней трубки. Проанализировав полученный газ, ученый обнаружил, что имеет дело с гелием. Альфа-лучи, или альфа-частицы, как их все чаще стали называть, были идентичны атомам гелия. «Этот эксперимент, – писал Марк Олифант, ученик Резерфорда, – вызвал огромный интерес по причине своей простоты, ясности и красоты»¹³⁶.

Однако не на все вопросы были получены ответы. Каким образом положительно заряженные альфа-частицы превращались в гелий, который обычно электрически нейтрален? И что делали атомы гелия внутри атомов урана? Были ли они частицами, отколовшимися от атома, или чем-то еще? Как они соотносились с остальной частью атомного ядра?

Путь Резерфорда к ответу на эти вопросы оказался не прямым. Он начался с дружеской пикировки с Беккерелем – результаты некоторых экспериментов последнего противоречили выводам Резерфорда. Заметив расхождение в данных, оба ученых критично подошли к исследуемой проблеме, и выяснилось, что Резерфорд был прав. Однако дискуссия лишь раззадорила его любопытство. Почему так сложно было измерить характеристики альфа-частиц? Каким образом Беккерель, известный своей тщательностью и внимательностью при проведении экспериментов, мог ошибиться? Причина заключалась в способности альфа-частиц рикошетировать от молекул воздуха.

Эту особенность альфа-частиц Резерфорд продемонстрировал в обычном для него простом и непосредственном стиле. Вначале он направил пучок альфа-частиц на фотографическую пластину, находившуюся в вакууме, и в результате получил резко очерченное яркое пятно в месте столкновения. Затем направил такой же пучок на такую же пластину, но не в вакууме, а в воздухе. На сей раз пятно оказалось размазанным и туманным. Размазывание пятна, как писал Резерфорд в 1906 году, стало следствием «рассеивания лучей», отскакивавших от молекул воздуха. И хотя Резерфорд пока еще этого не знал, открытие рассеивания лучей станет ключевым шагом на пути к открытию атомного ядра.

Два года спустя Резерфорду присудили Нобелевскую премию – как ни странно, не по физике, а по химии – «за его исследования в области распада элементов и химии радиоактивных веществ». После вручения премии он язвительно заметил, что в ходе своих исследований он наблюдал много различных трансформаций, но самой быстрой из них была его собственная трансформация из физика в химика.

К тому времени Резерфорд уже вернулся в Англию, в Манчестерский университет. По мере того как росла заинтересованность ученого в точном измерении различных характеристик альфа-частиц, его все более раздражал феномен рассеяния, который мешал, к примеру, его попыткам измерить заряд альфа-частиц. Феномен рассеяния очень беспокоил и его коллег. Английский физик Уильям Генри Брегг прислал Резерфорду изображения следов «с резкими изгибами», оставленных альфа-частицами в камерах Вильсона. «Рассеяние – самый настоящий дьявол», – жаловался Резерфорд в письме еще одному своему коллеге.

Заняться измерениями рассеяния Резерфорд поручил своему новому ассистенту, Гансу Гейгеру – тому самому, который позднее изобрел знаменитый счетчик уровня радиоактивности. Это был еще один пример «бдительности экспериментатора» – инстинкта, который заставил Кавендиша измерить величину магнитных полей в его аппарате, а Милликена – изучать испарение водяных капель. Если в эксперименте возникает некая препятствующая сила, сначала следует измерить ее, а затем попытаться скомпенсировать. Так случилось, что просьба, обращенная Резерфордом к Гейгеру, стала еще одним шагом на пути к открытию атомного ядра. Поначалу Резерфорд этого не понимал; ему казалось, что он тратит время на изучение и измерение досадного препятствия, мешавшего точной оценке заряда и массы альфа-частиц.