Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Нам, людям XXI века, до боли остро осознающим драматические последствия открытия атомного ядра, это кажется очень странным. Однако модель Резерфорда в момент своего появления никак не соотносилась с огромным объемом информации, имевшимся об атоме в тогдашней химии и физике. Более того, его модель, согласно существовавшим в то время представлениям, не могла работать, так как была механически нестабильна. Модель обрела стабильность лишь в 1912 году, когда в Манчестер прибыл датский физик Нильс Бор и применил к модели Резерфорда идею кванта, состоявшую в том, что излучение и поглощение энергии электронами на атомных орбитах может происходить только конечными, хотя и очень небольшими, порциями. Кроме того, Бор продемонстрировал, как Резерфордова модель, обновленная в свете квантовой теории, объясняет многие другие явления, например частоту излучения света атомами водорода. Немного позднее Генри Мозли, еще один ученик Резерфорда, показал, что с помощью модели атома Резерфорда – Бора можно объяснить излучение рентгеновских лучей переходами с одного энергетического уровня на другой внутренних электронов более тяжелых элементов и рассчитать его частоту. Только после этого модель атома, почти вся масса которого сосредоточена в небольшом по относительным размерам ядре, стала очевидной для тех, чья интуиция не была столь развита, как у Резерфорда.

В наше время легко ретроспективно охарактеризовать открытие Резерфорда как результат некоего озарения. Учебники физики сравнивают его эксперимент с методами таможенников в эпоху зарождения таможенного контроля: в тюк сена стреляли, и если пуля рикошетировала, то становилось ясно, что под сеном спрятано нечто более плотное. Однако, когда Резерфорд и его помощники приступали к своему эксперименту, они вовсе не были уверены в том, что альфа-частицы своим поведением напоминают пули, и не знали, что заставляет их рикошетировать и каким образом. Описываемая модель возникла впоследствии, в ходе исследований, а не до их начала. И лишь спустя много времени стало ясно, насколько эпохальное открытие сделано Резерфордом и его коллегами.

Интерлюдия Искусство в науке

Как-то я задумал повторить эксперимент, с помощью которого Резерфорд открыл ядро атома. На практике опыт представлялся довольно простым: источник излучения, мишень, экраны сцинтилляции, микроскопические вспышки, которые нужно было подсчитывать в темноте. Я занялся сбором изображений и диаграмм данного эксперимента, его описаний, сделанных различными участниками, и аналитических комментариев, принадлежащих тем или иным историкам науки. Мне пришлось даже освежить в памяти кое-что из математики.

Я собирался провести эксперимент перед студенческой аудиторией, возможно, сделать документальный фильм. В поисках помощника я обратился к физику Сэмюелу Девонсу из Барнард-колледжа, который, по моим сведениям, работал с Резерфордом в ходе экспериментов с рассеянием альфа-частиц.

Выслушав мое предложение, Девонс расхохотался и долго не мог успокоиться. Немного придя в себя, он объяснил мне, что в наше время практически невозможно получить разрешение на работу с радиоактивными материалами, необходимыми для данного эксперимента, – степень излучения нарушает все приемлемые нормы. Можно, конечно, пойти окольным путем и – как поступают многие университетские лаборатории – воспользоваться разрешенными слабыми источниками радиации в соединении с современным электронным оборудованием, которое может несколько дней автоматически собирать данные. К сожалению, это было совсем не то, что я хотел организовать.

Девонс заметил:

«Главная проблема состоит в том, что эксперимент – настоящее искусство. Он сродни изготовлению идеально звучащей скрипки. Скрипка ведь не производит впечатления какого-то очень сложного устройства. Предположим, вы придете к скрипичному мастеру и попросите его помочь вам сделать настоящий «страдивари», потому что вам интересно изготовление скрипок и хочется узнать, как они делаются. Он посмеется над вами так же, как только что смеялся я. Ведь искусство – это знание, которое хранится не в голове, а в кончиках пальцев, это мелкие хитрости, которым учатся в ходе самой работы.

Часто они вас подводят, но вы повторяете их снова и снова. На вашем пути возникает масса трудностей, вы обдумаете, как их преодолеть, – и в конце концов вам это удается. Всякий раз, когда вы задумаете привнести в свою работу нечто новое, приходится забывать все старые навыки и уловки и приобретать новые. Однако вы должны все помнить и все знать, потому что если вы напрягаете свое оборудование до предела, резко возрастает шанс получить ложные результаты. Порой вы даже не можете понять, что же вы упустили. Любой экспериментатор когда-либо в своей жизни совершал ужасные ошибки, и любому экспериментатору известны примеры позора его друзей и коллег, получивших ложные результаты и слишком поспешивших их обнародовать.

Но как бы то ни было, вам приходится вести поиск на самом переднем крае, так как в противном случае кто-нибудь обязательно вас опередит. А ведь как это ужасно – очутиться среди отставших! У каждого из нас есть шкаф, до предела набитый несостоявшимися открытиями из-за того, что мы были слишком осторожны или кто-то другой оказался умнее нас. Одновременно с Резерфордом над теми же самыми проблемами работала целая австрийская школа, о которой в наше время совершенно забыли. А почему? Потому что Резерфорд был чуть отважнее и чуть изобретательнее»145.

Та разновидность искусства, о которой говорил Девонс, конечно же, присутствует не только в физике. Альберт Уитфорд, влиятельный американский астроном середины XX века, однажды заметил, что в его время работа с большим телескопом требовала от астронома «настоящего искусства, истинного мастерства в обращении с красивым и капризным инструментом». На самом деле изучение всех прихотей исследовательского инструментария – весьма кропотливый, а порой и изнурительный труд. Известный космолог Аллан Рекс Сэндидж, проведший бесчисленное количество ночей у громадных телескопов, поясняет:

«Наблюдения с помощью телескопа даже при самых лучших условиях – крайне утомительное занятие, а в не очень хороших условиях, среди холодной и не слишком уютной обстановки, оно может превратиться в настоящее испытание вашей выдержки».

Однако же долгие неуютные часы, проведенные наедине с телескопом под ночным небом, формируют то, что историк науки У. Патрик Маккрей называл «личной связью между ученым и его инструментом»146, – глубокое понимание инструмента, которое необходимо экспериментатору для того, чтобы всегда понимать, что именно инструмент способен ему открыть, а что нет.

Когда такая связь существует, результатом ее становится творческий процесс, который наделен всеми признаками настоящего искусства147. Существуют три разновидности этого процесса: механическое повторение, стандартная процедура и художественное представление. Примером механического повторения могут быть музыкальные записи или механические пианино, воспроизводящие то или иное музыкальное произведение. Однако в данном случае музыка, какой бы прекрасной она ни была, не есть каждый раз результат творчества в прямом смысле слова, а лишь эхо этого результата.

Стандартная процедура, в отличие от механического повторения, подразумевает минимум настоящего искусства. Действия, которые первоначально могли осуществляться лишь горсткой профессионалов, обладающих высоким мастерством, превращаются в некую рутинную практику, доступную более широкой группе людей, не обладающих таким высоким уровнем подготовки. Примером служат хирургические методики использования лазера для восстановления зрения при сильной близорукости. Когда-то они были прерогативой лишь высококвалифицированных специалистов, получавших громадные гонорары, а теперь подобные операции проводятся во множестве коммерческих клиник.

Художественное представление выходит за пределы стандартизованной программы. Это – действие на пределе уже понятого и контролируемого, сопряженное со значительным риском. Как показывает открытие Резерфордом атомного ядра, научные объекты приходится выводить в центр поля зрения подчас из довольно размытого и неопределенного фона. Данный процесс можно сравнить с разглядыванием оптических «обманок», в которых очертания какого-то предмета скрыты за сложным нагромождением линий. Поначалу очертания объекта перемешаны с хитросплетением разнообразных линий и форм, из-за чего возникает неопределенное ощущение неудобства и напряжения, и вдруг неожиданно наше зрение адаптируется – и мы начинаем видеть нужный объект (скажем, кролика) в сплетении листьев, ветвей и травы. Научные объекты часто становятся понятны в ходе аналогичного процесса. Однако, в отличие от разглядывания подобной картинки, при работе в лаборатории мы не всегда уверены в том, что нужный нам объект действительно существует. Инструментарий предоставляет нам «картинку», где заключены и объект, и фон, из которого необходимо вычленить предмет исследования. Часто сам способ организации опыта мешает опознать новый феномен, и вполне вероятно, что условия эксперимента потребуется изменить прежде, чем необходимый объект появится в поле нашего зрения.