Резерфорда увлекла новая в то время тема радиоактивности. Атомы урана, по-видимому, испускали частицы, которые можно было регистрировать на фотопластинках. Казалось, что существуют два типа радиоактивности, которые стали называть альфа-частицами и бета-частицами. Альфа-частицы было легче зарегистрировать. Резерфорд обнаружил, что при помощи магнитного поля такие альфа-лучи можно отклонять так же, как Томсон отклонял свои отрицательно заряженные частицы. Расчеты показали, что масса альфа-частиц совпадает с массой атома гелия, лишенного электронов. Догадка о том, что альфа-лучи, испускаемые ураном, есть не что иное, как фрагменты атомов гелия, получила подтверждение, когда альфа-лучи объединили с потоком электронов, в результате чего произошло образование устойчивого газа. Химический анализ вскоре подтвердил, что этот газ действительно был гелием.
Баллистика и папиросная бумага
Экспериментальные результаты в очередной раз вступили в противоречие с теоретической моделью атома, когда ученик Резерфорда Ханс Гейгер поместил тонкий лист золотой фольги между потоком альфа-частиц и пластиной, регистрирующей частицы. В соответствии с моделью атома, в которой положительный заряд распределен равномерно, как тесто в пудинге, положительно заряженные альфа-частицы, пролетающие сквозь металл, должны испытывать отталкивание со стороны положительного заряда атома. Поскольку заряд распределен равномерно по всему объему атома, значительного отклонения частиц ожидать не приходится.
Гейгер обнаружил, что, вопреки ожиданиям, некоторые альфа-частицы отклонялись в самые разные стороны, вплоть до отражения от золотой фольги непосредственно в том направлении, с которого они прилетели. Резерфорд был ошеломлен: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».
Отклонение альфа-частиц ядрами атомов золота
Новая модель и на этот раз возникла из математических расчетов. Подсчитав, сколько альфа-частиц отклонилось и на какой угол, исследователи обнаружили, что данные соответствуют конфигурации, в которой заряд и масса сосредоточены в малоразмерном объекте в центре атома, который стали называть ядром. Было ли такое ядро неделимым, оставалось неясным.
Когда Резерфорд стал бомбардировать альфа-частицами более легкие атомы, появились свидетельства того, что ядро не является единым объектом, но образовано некими составляющими частицами. Отслеживая траектории альфа-частиц в камере Вильсона, он обнаружил траектории, которые были в 4 раза длиннее, чем ожидалось. Такое могло произойти, если бы попадание альфа-частицы выбивало из ядра другую частицу, в 4 раза более легкую. Эксперименты с разными газами дали одинаковые результаты. Более того, Резерфорд обнаружил, что чистый азот в результате такого столкновения превращается в кислород. Выбивание одной из этих частиц приводило к преобразованию химического элемента.
Так было получено свидетельство существования элементов, из которых построены атомные ядра. Они вели себя в точности как атом водорода, лишенный своего электрона. Резерфорд открыл протон. Атомные ядра оказались построены путем соединения нескольких протонов. Единственное затруднение состояло в том, что электрический заряд не сходился. К примеру, масса ядра гелия в 4 раза больше массы атома водорода, а его заряд больше всего вдвое. Возможно, в ядрах существуют электроны, связанные с протонами и уравновешивающие их заряд. Но физические принципы, которые были разработаны для объяснения поведения этих частиц, исключали столь близкое существование электронов и протонов, так что такой ответ не подходил.
В 1920-х гг. это натолкнуло Резерфорда на догадку о возможном существовании третьей составляющей частицы, названной им нейтроном, имеющей приблизительно ту же массу, что и протон, но не имеющей заряда. Получить свидетельства ее существования оказалось крайне непростой задачей. Резерфорд обсуждал со своим коллегой Джеймсом Чедвиком самые безумные способы, которыми можно было бы обнаружить нейтроны. В конце концов в экспериментах, проведенных в 1930-х гг. в Германии и Франции, были обнаружены частицы, испускаемые при бомбардировке различных ядер альфа-частицами, и частицы эти, в отличие от протонов, по-видимому, не имели заряда. Но экспериментаторы ошибочно считали их каким-то типом электромагнитного излучения наподобие высокочастотных гамма-лучей, которые открыл в начале XX в. французский физик Поль Виллар.
Однако Чедвик был убежден, что эти частицы и есть нейтроны, которые он обсуждал с Резерфордом. Дальнейшие эксперименты показали, что их масса чуть превышает массу протона и именно эта новая частица, не имеющая заряда, оказалась тем ингредиентом, которого недоставало для согласования численных результатов. После открытия Чедвика казалось, что все кирпичики, из которых построена материя, наконец обнаружены.
Модель выглядела чрезвычайно привлекательно. Четыре «стихии» Аристотеля – огонь, земля, воздух и вода – были сведены к трем частицам: электрону, протону и нейтрону. Из этих трех кирпичиков, как считали ученые, можно построить всю материю. Кислород: 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. Натрий: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Как будто бы зазвучала музыка сфер, и в основе материи лежали эти три ноты – протоны, электроны и нейтроны. Вся материя, по-видимому, состояла из целочисленных комбинаций этих трех частиц. Какие были основания ожидать, что и сами эти частицы образованы из еще меньших составляющих? Если бы это было так, то можно было бы рассчитывать увидеть дробные сочетания, расположенные между элементами периодической системы.
Но деление на этом не остановилось. Оказалось, что существуют весьма основательные экспериментальные и математические доводы в пользу делимости протонов и нейтронов. Однако кирпичики, составляющие протоны и нейтроны, обладают одним странным свойством: они не любят находиться в одиночестве. Они встречаются только группами, образуя объекты, подобные протонам или нейтронам. Вместе им безопаснее. Но, если такие частицы никто никогда не видел поодиночке, почему же ученые считают, что такие, еще меньшие, части, на которые можно разделить протоны и нейтроны, существуют?
4
Все, что мы называем реальным, сделано из того, что реальным считать нельзя.
Нильс Бор
В конце 1920-х гг. казалось, что все основные кирпичики, из которых построена материя, обнаружены. Все атомы периодической системы можно построить из сочетаний электронов, протонов и нейтронов. Все попытки дальнейшего деления электрона были безуспешными. Но открытия, сделанные в следующие десятилетия, привели ученых к пониманию того, что под остальными двумя кирпичиками скрывается следующий уровень реальности.
Основной толчок к пониманию того, что протоны и нейтроны могут быть не столь неделимыми, как электрон, был дан не какой-нибудь более хитрой технологией, а математическими соображениями симметрии. Поразительно, что лучшим микроскопом для изучения внутреннего устройства моей игральной кости снова и снова оказывается математика. Для объяснения существования протонов и нейтронов разрабатывалась математическая модель, и она была основана на математической концепции, допускавшей деление. А раз математическое представление можно было разделить на более мелкие части, то казалось, что и к самим протонам и нейтронам должен быть применим тот же принцип.
Математическая модель, благодаря которой возникла идея о делимости протона и нейтрона, появилась, когда физики открыли, что в дополнение к трем составляющим элементам устойчивых атомов существует множество других частиц.
Их открыли в экспериментах по столкновениям частиц. Речь шла не о построенных человеком коллайдерах, подобных LHC[39], а о природных столкновениях, которые происходят в верхних слоях атмосферы при прохождении сквозь нее космических лучей.
Зверинец частиц
Первое свидетельство существования новых частиц было найдено в камерах Вильсона, которые экспериментаторы использовали для восстановления траекторий заряженных частиц. Камера Вильсона состоит из герметичного бака, заполненного перенасыщенными парами воды и спирта. Перенасыщение паров приводит к тому, что любая пролетающая через камеру частица оставляет за собой конденсационный след.
В 1933 г. Карл Андерсон, физик, работавший в Калтехе[40], использовал такие камеры для подтверждения предсказанного за несколько лет до этого британским физиком Полем Дираком существования странного нового вида материи, называемого антивеществом. Предпринятая Дираком попытка объединения квантовой физики и теории электромагнетизма позволила объяснить многие особенности электронов, но его уравнения имели еще и полностью зеркальное решение, которое не соответствовало ничему, виденному до тех пор в лабораториях.
