«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Законы Кеплера — Ньютона

И все-таки, хотя в Манчестерской лаборатории Резерфорда настроение царило прекрасное, вздоха облегчения не вырвалось ни у кого.

Отчего же? Отчего такая ясная и наглядная модель резерфордовского атома была в то же время невероятной?

Она противоречила классической физике — вот в чем дело. И это понимали в Манчестере все.

Нефизики думали, как раз наоборот: после «заумной» квантовой гипотезы Планка (1900) да еще теории относительности Эйнштейна (1905) показалось, что классическая физика взяла, наконец, реванш на атомном плацдарме. Ведь планеты движутся вокруг Солнца по законам, открытым Кеплером и Ньютоном.

Так отчего бы и электронам не путешествовать вокруг ядра по тем же законам? Это ли не торжество классической механики! И смотрите, как все разумно в природе: большое и малое • устроено одинаково! Такое философствование было соблазнительно. И ему, конечно, предавались домашние натурфилософы нашего века.

А между тем противоречие с классикой было крайне простым. И в то же время роковым.

Наш третий искусственный спутник Земли совершал 6858-й оборот, когда писалась эта страница. Он был еще полон сил и с прежней убедительностью доказывал могущество людей, подчинивших земное тяготение своей воле. Но каждый знал, что придет час, когда кружение спутника прекратится, его энергия постепенно растратится на неизбежное торможение в атмосфере Земли, и силы земного притяжения все-таки возьмут свое.

В сущности, весь полет спутника — медленное падение на Землю: эллипс его орбиты все сужается — спутник описывает скручивающуюся спираль. Виток за витком. В центре, или, лучше, в фокусе спирали, — Земля. (Сказать «в фокусе» — лучше, потому что эта спираль, вовсе не похожа на заводную пружину часов.

Ее витки — эллипсы. И эти эллипсы не только сужаются от витка к витку, но еще и вытягиваются. Кривая падения спутника оказывается очень сложной, лишь отдаленно напоминающей обычную спиральную линию, IHO все-таки спиралевидной. Нам тут всего важнее, что спутник, тормозясь в атмосфере, падает на Землю в строгом согласии с законами классической механики.)

В согласии с этими же законами планеты вращаются вокруг Солнца по устойчивым орбитам: они летят практически без трения—путь их пролегает через пространство, почти лишенное вещества, и можно утверждать, что они не теряют когда-то приобретенной энергии.

И вот электроны в атоме Резерфорда. Казалось бы, они летят вокруг ядра в еще более выгодных условиях, чем планеты, на пути которых нет-нет да и попадаются крупицы космического газа. Электронам совершенно неведомо трение: они сами — единственное население внутриатомного пространства. Им бы кружиться и кружиться, не зная помех..,- Идеальные планеты—никаких потерь энергии в пути!

Но на свою беду, кроме законов Кеплера — Ньютона, они должны еще слушаться законов классической теории электричества: они заряженные частицы. От этого с ними происходят события, которые должны были бы превратить их из планет в падающих спутников, если только классическая теория движения зарядов всюду и всегда верна.

Эта теория, созданная в конце XIX века, утверждала, что любой движущийся заряд не может безнаказанно изменять свою скорость в пути—ни по величине, ни по направлению. Пока он, окруженный своим силовым полем, летит прямолинейно и равномерно, его поле покорно следует за ним. Но стоит ему повернуть в сторону, как поле «заносит». Заряд на поворотах как бы расплескивает энергию своего поля — он ее излучает! А границы, где кончался бы заряд и начиналось его поле, нет: они ведь нечто единое. Излучая, заряд теряет энергию своего движения. Вращение — это непрерывные повороты, непрерывное изменение скорости. Вы чувствуете последствия?

По классической теории электроны в атоме Резерфорда, вращаясь вокруг ядра, должны были бы непрерывно излучать энергию. Другими словами, терять ее. Противиться притяжению положительно заряженного ядра им становилось бы все труднее. Их орбиты все сужались бы, как у спутников, тоже непрерывно теряющих энергию, правда, не на излучение, а на трение об атмосферу. Путь электронов хоть и по другой причине и по другому закону, но тоже превратился бы в скручивающуюся спираль — на сей раз в точности подобную пружине, и они упали бы на ядро.

Атом перестал бы существовать!

Когда свободные электроны мчатся на карусели современных круговых ускорителей (в честь бета-лучей радиоактивных элементов такие электронные ускорители называются бетатронами), эти заряженные частицы действительно излучают электромагнитные волны. И чем выше скорость карусели, тем сильнее «заносит» поле, тем обильнее расплескивание энергии.

Конечно, это же происходит и с протонами в Дубне* В принципе тут никакой разницы нет — протоны тоже заря* женные частицы. Только оттого, что они почти в две тысячи1 раз тяжелее электронов, потери на излучение у них до поры до времени не так заметны. Однако и тут эти потери неизбежны. И если частицы не врезаются в конце концов во внутренние стенки ускорительной камеры дубенского синхрофазотрона, то лишь потому, что «пояски» электрического поля регулярно снабжают их все новыми и новыми порция-* ми энергии.

Эти порции не только восполняют потери на излучение, а еще и позволяют частицам все больше увеличивать скорость вращения. Но вместе с вцзрастанием скорости возрастают и потери. И легко понять, что наступает момент, когда на возмещение одних только потерь уходит уже почти вся притекающая извне энергия. Тогда частицы перестают ускоряться... Так невольное и бесполезное испускание электро- магнитных волн «на поворотах карусели» превращается, наконец, в неодолимое препятствие для доведения скорости заряженных частиц до световой.

Как упряма природа в своих законах! Она использует все, чтобы помешать частицам вещества приблизиться к заветному пределу — к скорости света. Она мобилизовала для этого не только свойства массы тел, не только свойства времени и пространства, но еще и свойства электрического заряда-

Атом Резерфорда — тоже карусель, планетная карусель. Но на ней к вращающимся электронам не притекает извне никакой энергии. И потому законы классической теории обрекали эти атомные электроны на неминуемое падение — на полное слияние с ядром. «Обреченный атом!» — так должны были бы назвать модель Резерфорда классики XIX века,

И все-таки Резерфорд был прав, когда сказал: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» Он отважился на открытую ссору с классической теорией. И его отвага была тем замечательней, что он еще совсем не представлял себе, каким путем удастся выпутаться из беды. Он только был уверен, что удастся.

В другую эпоху и ученый другого склада, вероятней всего, испытал бы робость перед собственной идеей, раз ее так решительно и просто опровергает общепринятая теория. Но только что кончилось первое десятилетие XX века. Оно было отмечено такими глубокими революциями в физике, как гипотеза квантов и теория относительности. Дух новаторства витал в лабораториях первых физиков-атомников. И отвага Резерфорда была естественной, как отвага генерала, сознающего, что за его плечами — историческая правота. Такой видится эта смелость по крайней мере сегодня, издалека, через полвека, когда те давние подробности борьбы идей в науке о микромире — сомнения, споры, насмешки — уже размыты потоком протекшего времени.

Странно подумать, что в 1910 году, когда идея «обреченного атома» уже зрела в голове Резерфорда и предстоящий конфликт с классической электродинамикой уже отчетливо вырисовывался в его воображении, известный немецкий ученый Вилли Вин в одной беседе иронически сказал Резер- форду: «Англосаксы не могут понять теорию относительности!»

Надо же было адресовать это сомнительное умозаключение именно Резерфорду и как раз тогда, когда он уже различал сквозь туман дорогу в мир еще менее «понятных» физических представлений, чем те, какие принесла с собой теория Эйнштейна!

Защищаясь, Резерфорд рассмеялся. «Нет, почему же,— примерно так ответил он Вину, — у нас, у англосаксов, более чем достаточно здравого смысла!» Заметьте: не фантазии, не смелости, а просто здравого смысла.

Всего чаще в книгах и очерках о научных открытиях перед нами проходят фигуры ученых-романтиков или ученых- мучеников. Мерилом внутренних достоинств этих прекрасных людей служат и вправду достойные восхищения человеческие черты — одержимость идеей, бескорыстие исканий, возвышенность мечты, пламенная самоотреченность... Словом, весь спектр романтических красок. Но ясная трезвость ищущей мысли изображается почти никогда. Люди здравого смысла противопоставляются ученым-мечтателям, как существа низшего пошиба, как ползающие — летающим. Что же делать тогда с великой трезвостью Резерфорда — с ясной земной поэзией его мысли? Германская мечтательность Вилли Вина требовала, вероятно, восторженного постижения идей теории относительности — преклонения перед мистическим парением разума, которому только в озарении удается уловить относительность времени и пространства. А в эту же пору сам Эйнштейн, размышляя над расширением своей первоначальной теории — над природой всемирного тяготения, говорил Марии Кюри на прогулке в Альпах, что в общем-то он должен понять простую вещь: «Что происходит в падающем лифте?»

Космические глубины и — падающий лифт! Они, великие, каким-то образом действительно умели покидать ограниченный мир Земли, не отрываясь от ее почвы. И потому-то ответ Резерфорда Вину был так не романтичен: нужен только здравый смысл для постижения теории относительности, ибо она сама создана трезвой, безжалостно точной мыслью и простой необходимостью понять непонятное.

Эта же необходимость вынудила английского ученого трезво отважиться на ссору с классикой — без всякого страха перед возможными последствиями такой ссоры для будущего всей физики микромира. Он знал, что делает лишь первый шаг, и заранее предупредил критику классиков: «Вопрос об устойчивости предложенного атома на этой стадии не нуждается в рассмотрении...» Пока не нуждается! Вот и все. А там посмотрим.

Но пора для рассмотрения этого вопиющего противоречия с прежней теорией должна была наступить. И очень Скоро. Атом Резерфорда не мог оставаться обреченным. В 1911 году еще никто не знал, как вылезти из конфликта. Впрочем, не стоит утверждать это так уж категорически...

Один писатель изобразил великого англичанина уединенным искателем истины. Это смешное недоразумение, такое же смешное, как повальное причисление первооткрывателей к воинству романтиков или мучеников. Всю жизнь Резерфорд был окружен веселым интернационалом друзей и учеников — блестящим, шумным, смелым интернационалом одаренных ученых из разных стран. В шутку можно было бы сказать, что атомную физику нашего века делали и делают музыканты и теннисисты, лыжники и автомобилисты, яхтсмены и альпинисты... В известном биографическом справочнике «Кто-кто?» в ряду существенных сведений об ученых можно найти пункт «хобби» — неделовое пристрастие, увлечение на досуге, любимый отдых. Вы можете узнать, что у старика Джи-Джи Томсона это был теннис, а у молодого Капицы — мотоцикл и шахматы. У Резерфорда — гольф, у Эйнштейна — парусник и скрипка, у Тамма — альпинизм, у Гейзенберга, как у Планка, — рояль... Наш век многое изменил в старом типе ученого. Молодой атомной наукой занимались и занимаются люди не в строгих сюртуках и белых манишках. С фотографий смотрят улыбающиеся молодые лица, в которых чаще всего нет былой почтенной солидности и маститого самоуважения, а есть простота и доступность и какая-то, я бы сказал, необязательность живого выражения глаз, как у художников и спортсменов. Это и у русских, и у итальянцев, у американцев и французов, и даже у традиционно педантических немцев и традиционно сдержанных англичан.

В 20-х и 30-х годах, кроме одного из любимых сотрудников Резерфорда, Петра Леонидовича Капицы  , в Кембридже работали такие видные советские физики, как Ю. Хари- тон, А- Лейпунский, К. Синельников...

А раньше, в 10-х годах, за несколько лет до первой мировой войны, как раз тогда, когда появился в науке «обреченный атом», среди других паломников из разных углов Европы, Америки, Азии стал бывать и работать в Манчестере молодой физик из Дании, имя которого в ту пору вряд ли кому-нибудь что-нибудь говорило. Однако Дарвин, узнавший о рождении «обреченного атома» через полчаса после того, как это произошло, утверждает, что уже тогда у двадцатишестилетнего датского ученика Резерфорда «подход к основным принципам физики был глубже, чем у остальных ученых». Эйнштейн впоследствии назвал молодого датчанина человеком «с гениальной интуицией и тонким чутьем», а плоды его интуиции — «высшей музыкальностью в области мысли».