Читать онлайн Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц бесплатно

Глава 1

Электронно-лучевая трубка: рентгеновское излучение и электрон

Наша история начинается в 1895 году. Германия, лаборатория в Вюрцбурге… Тогдашние лаборатории были не очень похожи на чистые белые пространства, в которых работают современные ученые. Здесь были красивые паркетные полы и впечатляющие высокие окна, выходящие на парк и виноградники напротив. Физик Вильгельм Конрад Рентген закрыл ставни и вернулся к своей работе. На длинном деревянном столе он установил стеклянную трубку размером с небольшую винную бутылку, из которой с помощью вакуумного насоса была удалена большая часть воздуха[2]. От металлических электродов отходили провода – один в конце трубки (отрицательно заряженный катод) и один примерно посередине (положительно заряженный анод). При подаче высоковольтного электричества внутри появлялось свечение – так называемые катодные лучи, которые и дали трубке название[3]. Пока все шло так, как Рентген и ожидал. Затем краем глаза он заметил маленький светящийся экран на другой стороне лаборатории.

Он подошел к экрану. Экран с люминофорным покрытием излучал зеленый свет. Когда Рентген выключил электроннолучевую трубку, свечение исчезло. Когда снова включил, оно вернулось. Может быть, это просто обман зрения, отражение света от светящейся электронно-лучевой трубки? Он накрыл трубку черным картоном, но обнаружил, что экран по-прежнему светится. Рентген никогда раньше не видел ничего подобного, но посчитал свою находку важной.

С этого момента физика уже никогда не будет прежней. Это первое случайное наблюдение вывело эксперименты с использованием электронно-лучевых трубок и физику в целом на совершенно новую территорию, перевернув принятые веками представления о природе. Со временем электроннолучевая трубка приведет к появлению технологий, которые изменят образ жизни, работы и общения людей. Все началось здесь, в Вюрцбурге, с этого светящегося экрана и любопытства одного человека.

Вильгельм Рентген, как и большинство ученых по всему миру в конце XIX века, согласился с тем, что физика почти разгадана. Вселенная создана из материи, которая состоит из «атомов». Было выяснено, что существуют различные типы атомов, которые соответствуют различным химическим элементам. От деревьев до металлов, от воды до меха – все разнообразие окружающего нас материального мира отличается твердостью, цветом и текстурой, потому что все построено из разных атомов, которые ученым представлялись крошечными сферическими деталями вроде Lego. Будь у вас правильная инструкция, вы могли бы взять определенный набор атомов и создать все, что захочется. Физики также знали, что существуют силы, благодаря которым все взаимодействует. Гравитация удерживает звезды в нашей галактике и заставляет Землю вращаться вокруг Солнца. Даже таинственные силы электричества и магнетизма в конце концов были объединены в единую силу – электромагнетизм. Вселенная стала предсказуемой: если вам известен принцип работы внутренних механизмов и вы приводите их в движение, то можете с точностью предсказать поведение всей материи.

Теперь оставалось исследовать только детали – например, то, как именно работает электронно-лучевая трубка. Одна из немногих мелочей, которые ученые не могли до конца объяснить. Конечно, выдвигались разные теории, в том числе идея о том, что свечение внутри связано с колебаниями гипотетического эфира – среды, через которую, как считалось, свет распространяется почти так же, как звук передается по воздуху. Но, исследуя особенности электронно-лучевой трубки, Рентген столкнулся с трудностями: мало того, что внутри трубки происходит что-то необъяснимое, так еще и снаружи обнаружился странный эффект.

В детстве Вильгельм казался обычным ребенком. Сын торговца тканями, он любил исследовать природу в сельской местности и лесах[4]. Единственное, в чем у него действительно были незаурядные способности, – создание механизмов[5], и это оказалось весьма полезным для его дальнейшей экспериментальной работы. Когда Рентген стал взрослым, его темные волосы постоянно вставали дыбом на лбу, «как будто он постоянно был наэлектризован собственным энтузиазмом»[6].

Рентген был застенчивым человеком, читал лекции невыносимо тихим голосом, был строг со своими студентами и даже испытывал легкий дискомфорт при мысли о том, что в его лаборатории будут ассистенты. Но он искренне любил науку, иногда цитируя великого инженера Вернера фон Сименса, который сказал: «Интеллектуальная жизнь порой доставляет нам, возможно, самую чистую и высшую радость, на которую способен человек».

И вот Рентген обнаружил то, чего раньше никто не видел. Когда он заметил странный светящийся экран, то предположил, что смотрит не на тот же «луч», который заставлял светиться электронно-лучевую трубку, поскольку этот эффект, казалось, заключен внутри трубки. Он нашел новый вид невидимого луча, который мог простираться гораздо дальше. Рентген сразу же направил все свое время и энергию на дальнейшие исследования. Когда позже его спросили, что он в то время думал, он сказал: «Я не думал, я исследовал».

Он расставил несколько подобных трубок по лаборатории[7], методично и тщательно настраивая каждую, чтобы определить природу новых лучей. Он помещал различные материалы между трубкой и люминофорным экраном, опробовав бумагу, дерево и даже твердую резину. Лучи проходили сквозь них, почти не ослабевая. Когда Рентген направил лучи через толстую деревянную дверь в соседнюю лабораторию, он смог их обнаружить с другой стороны. Только когда он поместил алюминиевую фольгу перед трубкой, лучи, казалось, проникли сквозь нее с трудом.

Рентген провел семь напряженных недель в своей лаборатории, его жена Анна Берта время от времени напоминала ему, что надо поесть. На этом их общение заканчивалось: Рентген работал почти полностью в одиночку и молчал о своих исследованиях. Он ничего не сказал своим помощникам, не говоря уже о зарубежных коллегах, хотя знал, что, если не объявит о своем открытии первым, сотни других ученых, проводивших аналогичные эксперименты в своих лабораториях, опередят его. Только однажды Рентген сказал о своей работе хорошему другу: «Я обнаружил кое-что интересное, но не знаю, верны ли мои наблюдения»[8].

Затем он поставил руку на пути лучей и сообщил: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, видна темная тень костей на фоне чуть менее темного изображения самой руки…». Он использовал лучи, чтобы сделать изображение руки жены на фотографической пластинке, что подтвердило его мысль: лучи легко проходят через кожу и плоть, но не так легко – через кость или металл. Кости руки и обручальное кольцо темнели на фоне плоти, которую мы обычно видим глазом. Способность блокировать новые лучи была связана с плотностью объекта. Согласно легенде, когда Анна Берта увидела кости своей руки, она воскликнула: «Я видела свою смерть!» – и никогда больше нога ее не ступала в лабораторию мужа.

Оставалось дать новым лучам название. В науке мы обычно обозначаем неизвестное буквой X, и поэтому Рентген придумал, возможно, лучший непреднамеренный брендинг в истории физики. Он назвал свое новое открытие икс-излучением.

Убедившись, что понимает, как работают икс-лучи, Рентген встал перед выбором. Должен ли он запатентовать идею и опубликовать свои результаты или проделать дополнительную работу до заявления о своем открытии? Его все еще интересовало многое – например, как эти лучи связаны со светом и материей, из чего они сделаны и как формируются. Он решил, что больше не может откладывать объявление: вероятность того, что кто-то другой найдет икс-излучение, слишком высока.

Если он опубликует открытие до подачи заявки на патент, он никогда не заработает на нем никаких денег, если оно окажется полезным в медицине. Но Рентген был физиком, а не врачом, поэтому не знал, заинтересует медиков его идея или нет. Он решил, что лучше всего опубликовать свое открытие и сообщить о нем медицинскому сообществу.

Преодолев свою обычную застенчивость, 23 января 1896 года Рентген установил тяжелый стол для своего эксперимента в лекционном зале Вюрцбургского физико-медицинского общества, всего в нескольких минутах ходьбы от его лаборатории. Толпа уже разузнала о его открытии из газетных статей, в зале было так много народу, что люди стояли даже в проходах. Рентген прочитал первую в истории лекцию о том, что он обнаружил. Он показал аудитории, как икс-лучи могут проходить через дерево и резину, но не через металл. Он показал им фотографию руки Анны Берты и рассказал о своей идее использовать такие снимки, чтобы заглянуть внутрь человеческого тела. Чтобы довести дело до конца, он решил продемонстрировать, насколько легко можно сделать подобный снимок.

Стоя перед залом, он пригласил президента общества, известного анатома, поместить свою руку на пути лучей. Рентген включил электронно-лучевую трубку и сделал снимок руки президента. Присутствовавшие врачи были поражены. Они сразу же поняли ценность этого открытия, а президент был настолько впечатлен, что вместе с толпой трижды прокричал «ура». Они даже предложили назвать новые лучи в честь Рентгена[9].

Слухи об этом новом явлении распространялись по всему миру как лесной пожар, вызывая восхищение, страх и даже вдохновляя поэтов. Книги Жюля Верна о путешествии к центру Земли уже вовсю захватили воображение публики, а теперь Рентген обнаружил возможность заглядывать внутрь человеческого тела. Это привело к некоторым интересным заблуждениям – например, о том, что с помощью рентгеновских лучей можно заглядывать под женскую одежду (про заглядывание под мужскую одежду не упоминалось). Предприниматели того времени начали продавать свинцовое нижнее белье, защищающее от рентгеновского излучения, по-видимому, только для женщин, а «рентгеновские очки» были запрещены в нескольких оперных театрах, несмотря на то что таких очков не существовало. Философы же опасались, что рентгеновские лучи могут заглянуть в самую сущность человека.

У сотен ученых по всему миру уже были электронно-лучевые трубки – стандартное оборудование в физических лабораториях. Так что сначала они подтвердили открытие Рентгена, а затем приступили к запуску трубок в работу – и все это в течение нескольких месяцев. В течение года после открытия, в 1896 году, рентгеновские лучи использовались для обнаружения переломов костей и осколков в телах солдат на полях сражений в войне между Италией и Абиссинией, а в Королевской больнице Глазго впервые в мире открыли рентгенологическое отделение.

Предприниматели извлекали выгоду из возможностей рентгеновских лучей в других целях. Популярным в то время был «педоскоп», который делал рентгеновские снимки ног клиентов, пока они примеряли обувь, но позже эта практика была прекращена – когда стали появляться доказательства того, что рентгеновские лучи могут вызывать повреждение кожи или тканей. К этой теме мы вернемся позже. Сам Рентген предложил другое применение, сделав снимок металлических гирек внутри непрозрачной коробки, чтобы показать их потенциальное использование в промышленности. Так первые «рентгенограммы» проложили путь к современным сканерам безопасности, которые можно найти в аэропортах.

Поскольку Рентген решил не патентовать свое открытие, чтобы не препятствовать его медицинскому применению, он не получал никакого дохода от своего изобретения. Он мудро оставил ответственность за разработку этих методов на медицинских работниках, заявив, что слишком занят другими своими исследованиями, но продолжал предлагать свою помощь там, где это было необходимо.

Рентген может показаться странным персонажем: «одинокий гений», сделавший «случайное открытие». В конце концов, любой, кому посчастливилось иметь поблизости люминофорный экран, мог открыть это излучение. Но если мы посмотрим немного внимательнее, то увидим, что здесь задействованы и другие факторы. У него был доступ к большой сети экспертов по всему миру, много лет экспериментальной практики и необычайное терпение и смирение. Когда он заметил светящийся экран, у него хватило мудрости осознать значение своего открытия, и любопытства, чтобы копнуть глубже.

Несмотря на всю шумиху, никто на самом деле не знал, что такое рентгеновские лучи. Рентген доказал, что они не обладают такими же свойствами отражения или преломления, как видимый свет или ультрафиолетовый и инфракрасный свет за пределами обычного видимого спектра. Не было четкого представления о том, как рентгеновские лучи формируются из катодных лучей или как они взаимодействуют с другой материей, такой как люминофорный экран. Его открытие поставило целый ряд новых вопросов о том, из чего состоят материя и свет и как они взаимодействуют. Ответы на эти вопросы требовали дальнейших экспериментов с электроннолучевой трубкой, которая продолжала играть центральную роль в последующих открытиях.

В начале 1897 года в Кембридже, Англия, Джозеф Джон («Джей Джей») Томсон, директор-основатель крупнейшей в мире физической лаборатории, попытался разрешить двадцатилетний спор. Он решил сосредоточиться не на рентгеновских лучах снаружи трубки, а на том, что из себя представляют катодные лучи внутри трубки.

Томсон придерживался непопулярной гипотезы. Он считал, что катодные лучи представляют собой некую корпускулу или частицу. Это противоречило мнению Рентгена, который вместе со своими немецкими коллегами считал, что катодные лучи нематериальны, это форма света[10]. Томсон использовал имеющиеся в его лаборатории трубки для изучения процесса протекания электрического тока в газах, но теперь он принялся за новые эксперименты, чтобы ответить на вопрос: какова природа катодных лучей?

Томсон был застенчивым сыном манчестерского книготорговца. В 11 лет мальчик объявил о своем намерении заняться собственными исследованиями. Откуда взялось это не по годам серьезное желание, неясно. Когда Томсону было всего 16, его отец скончался, не оставив сыну денег на образование. Поскольку стипендий по физике не выделялось, Томсон поступил в Тринити-колледж Кембриджа, чтобы изучать математику. Его спокойное чувство юмора, часто выражающееся в мальчишеской усмешке, в сочетании с непоколебимой уверенностью в своих способностях пугали многих его сокурсников, вселяя в них почти благоговение[11].

В возрасте 27 лет Томсон был назначен профессором и руководителем Кавендишской лаборатории в Кембридже. Он был невысоким, с черными волосами, которые он разделял на прямой пробор, и торчащими усами. И очень мало интересовался своим внешним видом. Кто-то из друзей позже вспоминал, как его галстук-бабочка иногда задирался к уху, пока Томсон кружил по лаборатории, пребывая в блаженном неведении. Его домашняя жизнь была ничем не примечательна, но когда дело доходило до размышлений о природе материи и Вселенной, тут Томсон становился настоящим революционером.

Он начал свои исследования с тщательного повторения экспериментов тех, кто был до него. Во-первых, Томсон хотел установить, что катодные лучи и электрический заряд, который они несут, не могут быть разделены. Магнитом он изгибал катодные лучи, направляя их в электроскоп – устройство для оценки электрического заряда. Был зарегистрирован удивительно большой отрицательный заряд[12], подтвердивший его мнение о том, что лучи действительно несут электрический заряд.

Затем он повторил этот эксперимент, пытаясь искривить лучи электрическим полем, используя напряжение, удерживаемое между двумя пластинами, которые его помощник установил внутри специально сконструированной вакуумной трубки. Лучи – будь они частицами, как он думал, – должны были отклоняться под воздействием напряжения. Если же лучи представляют собой свет, то отклонения быть не должно, точно так же, как свет от фонарика беспрепятственно проходит сквозь напряжение.

Томсон предполагал, что при меньшем напряжении катодные лучи будут меньше отклоняться, чем при большем. Генрих Герц, немецкий физик, который ранее открыл электромагнитные волны, провел тот же эксперимент до Томсона и обнаружил, что, хотя большие напряжения отклоняют лучи, меньшие напряжения, по-видимому, не оказывают никакого эффекта. Когда Томсон впервые воспроизвел этот эксперимент в своей лаборатории, он был разочарован, получив те же результаты, что и Герц. Все выглядело так, будто катодные лучи действуют как частицы при больших напряжениях и как свет при более низких напряжениях, что немало препятствовало гипотезе Томсона об истинной природе катодных лучей.

Томсон продолжал экспериментировать, пытаясь понять, что же он видит. Сначала он изменил тип газа в трубке, но результат остался тем же. Затем он попробовал изменить количество газа, уменьшив его для получения низкого вакуума, и получил новый результат: он увидел небольшие отклонения луча при небольшом напряжении и большие отклонения при большом напряжении, как и ожидал. Чтобы удостовериться, Томсон снова пустил немного газа – и небольшие отклонения снова исчезли. Небольшое количество газа, оставшегося в трубке, становилось электрически заряженным, подавляя небольшое напряжение, в результате чего катодные лучи просто на него не реагировали в присутствии газа. Вот причина результатов Герца и разочарований Томсона. Как позже физик писал в своих мемуарах: «Пока техника чувствительных приборов, используемых в физических лабораториях, не до конца освоена, в один день они могут дать один результат и совершенно противоречивый – в другой. Что иллюстрирует истинность высказывания о том, что закон постоянства природы невозможно изучить в физической лаборатории»[13].

Все эти результаты позволили Томсону заключить, что «путь лучей не зависит от природы газа»[14]. Другими словами, демонстрируемые им эффекты были вызваны не газом в трубке. И это не просто потоки заряженных молекул газа, как утверждали другие. Здесь было что-то куда более сложное. Это побудило Томсона выдвинуть ключевой аргумент: все эти результаты возможны в том случае, если лучи действительно являют собой отрицательно заряженные частицы.

Оставалось только показать, что это за частицы: атомы, молекулы или что-то еще. Чтобы это понять, Томсон использовал электрическое и магнитное поля для определения их заряда и массы, в частности, их отношения e/m. Это оказалось гораздо большим числом, чем он мог ожидать. Такой загадочный результат не соответствовал ни одному известному атому или молекуле, которые, как тогда считали, были мельчайшими составляющими природы. У Томсона было два возможных объяснения: либо частицы были «тяжелыми», как атомы, с чрезвычайно большим отрицательным электрическим зарядом, либо они были очень легкими, со стандартным отрицательным электрическим зарядом. Ни один из вариантов не казался Томсону привлекательным. Если бы частицы были атомами с очень большим электрическим зарядом, ему бы пришлось полностью переосмыслить само понятие заряда. С другой стороны, если частицы на самом деле легкие, это значит, что атом – вовсе не неделимая элементарная частица.

Томсон изменил почти все переменные, какие только мог придумать, использовал разные газы в трубке, разные металлы для электродов и снова менял уровень вакуума. Каждый эксперимент приводил к тому же результату – новой частице того же типа с таким же большим отношением заряда к массе. В своих рассуждениях о природе частиц он использовал знания о химических экспериментах, о наблюдениях за спектром света от звезд и даже о конфигурациях магнитов. Медленно, но верно Томсон отклонялся от идеи о том, что частицы представляют собой атомы с очень большим зарядом. Он был готов объявить о своих результатах.

В пятницу 30 апреля 1897 года, всего через год после того, как Рентген объявил о своем открытии, Томсон стоял в вечернем костюме перед битком набитым залом Королевского института в Лондоне, готовый воссоздать серию экспериментов в рамках Пятничной вечерней конференции. Эти публичные лекции проводились каждую пятницу и привлекали огромные толпы состоятельных лондонцев[15]: в те дни новейшие научные открытия считались модными. В кульминации лекции Томсон объявил, что таинственные катодные лучи действительно представляют собой отрицательно заряженный тип частиц, который, по его определению, примерно в 2000 раз легче водорода, самого легкого атома. Томсон открыл электрон, первую субатомную частицу[16].

Это был интеллектуальный триумф. Томсон углубился в таинственное свечение катодных лучей и пришел к новому выводу о природе материи. К октябрю того же года он совершил еще один прорыв: мало того что катодные лучи состояли из крошечных частиц, но эти частицы были неизвестным до сих пор компонентом материи, который разрушил представление об атомах как о мельчайшей неделимой частице. Томсон еще не был уверен, откуда берутся электроны, но полагал, что они почти наверняка удерживаются атомами. Учитывая доказательства, даже Рентген и его немецкие коллеги были вынуждены признать, что Томсон прав. Итак, Рентген и Томсон, используя одно и то же оборудование, открыли два совершенно новых аспекта природы, никем прежде не замеченные.

Теперь мы можем собрать их идеи воедино, чтобы объяснить, что происходило внутри электронно-лучевой трубки. Высокое напряжение на катоде с высокой скоростью испускает электроны, которые притягиваются к положительно заряженному аноду. Но некоторые электроны, не попадая на анод, пролетают мимо него с высокой скоростью и врезаются в газ и стеклянную стенку, и энергия, передаваемая во время этого процесса, создает свет – то самое свечение, которое десятилетиями озадачивало ученых. Этот процесс называется «тормозное излучение». Если электроны теряют достаточно энергии, они создают рентгеновские лучи – высокоэнергетическую форму света, электромагнитное излучение, способное проходить сквозь руки (и другие части тела).

В отличие от рентгеновских лучей, полезность открытия Томсона в то время не была очевидна. Томсон сам задавался вопросом, может ли такая маленькая, несущественная вещь, как электрон, представлять интерес вне физики. В начале 1900-х годов на ежегодной вечеринке в Кавендишской лаборатории, где он сделал это открытие, был произнесен шутливый тост: «За электрон, пускай он никогда никому и не пригодится!»[17] Однако через 20 лет после своего открытия Томсон прочитал еще одну пятничную лекцию в Королевском институте, на этот раз на тему «Промышленное применение электронов», и, оглядываясь назад, мы видим, что его открытие стало основой всей электроники.

Как это произошло? Конечно, на первый взгляд все довольно логично, поскольку электроника, как следует из названия, зависит от движения электронов. Но имело ли к этому какое-то отношение открытие Томсона? Нуждались ли мы в его исследованиях или электроника все равно возникла бы? Чтобы понять взаимосвязь между любопытством Томсона и революцией в электронике, мы должны оценить контекст его работы.

В Музее науки в Лондоне есть постоянная галерея под названием «Создание современного мира». В скромной витрине выставлено несколько стеклянных предметов с лаконичными пояснительными надписями. Один из таких предметов – оригинальная электронно-лучевая трубка, использованная Дж. Дж. Томсоном при открытии электрона. В той же витрине можно увидеть первую лампочку, а с другой стороны – два странного вида объекта, называемые вентилями Флеминга, которые выглядят как лампочки с тремя штыревыми ножками. Эта витрина представляет краткую историю изобретения электроники.

Витрина неподалеку посвящена другому известному изобретателю – Эдисону. В 1880 году, пока ученые, подобные Томсону, корпели в своих лабораториях над электронно-лучевыми трубками, Эдисон и его помощники наткнулись на аналогичную технологию в своих попытках создать электрические лампы. В это время Эдисону было 33 года, он был на девять лет старше Томсона и придерживался совершенно иного подхода, чем ученые-экспериментаторы, поскольку им двигали другие мотивы, а именно желание получить деньги за свои изобретения. Вместо того чтобы подробно изучать физику электрических лампочек, команда Эдисона просто перепробовала огромное количество материалов и конфигураций, применив своего рода метод грубой силы. Большинство лампочек сгорали почти сразу, но один из членов команды, Льюис Латимер, афроамериканский изобретатель, изготовил лампочку с использованием угольной нити, которая могла работать около пяти часов[18].

Однако возникла проблема: стеклянная поверхность колбы чернела, когда лампа работала, будто бы частицы углерода «переносились» от нити к стеклу. Несмотря на изменения уровней вакуума, насколько это было возможно, лампочки продолжали перегорать. Теперь мы знаем, что дело в испарении материала с поверхности нити накаливания, но тогда Эдисон этого не знал. В одной из попыток решить проблему он попробовал поймать частицы углерода, поместив в колбу дополнительный электрод, и случайно обнаружил, что это вызывает протекание электрического тока, но только в одном направлении. Это не решило проблему почернения, но устройство, казалось, управляло потоком электричества, как клапан управляет потоком воды. Изобретатель назвал это явление «эффектом Эдисона». Его не интересовало, как управляется поток электрического тока, – ему было достаточно знать, что такой эффект есть. Эдисон получил патент на «лампу накаливания, работающую на эффекте Эдисона», а затем отбросил эту идею, так как не видел ей применения. Он продолжил свою работу над лампочками, внося небольшие улучшения, в конечном итоге продлившие срок службы угольной нити до 600 часов, чтобы лампы стали коммерчески жизнеспособными. Что касается «лампы накаливания Эдисона», то, когда кто-то позже поинтересовался, как она работает, он сказал, что у него нет времени углубляться в «эстетическую» часть своей работы[19].

Однако время на эстетику – принципы, лежащие в основе работы, – было у Джей Джей Томсона. В 1899 году, всего через два года после открытия электронов, Томсон доказал, что нити накаливания в лампочках испускают электроны точно так же, как электронно-лучевые трубки. При нагреве нити накаливания происходил выброс электронов в процессе, который мы теперь называем термоэлектронной эмиссией. Это сильно отличалось от испарения нити накаливания и послужило ключом к раскрытию эффекта Эдисона. Казалось бы, бесполезное изобретение Эдисона оставалось неиспользованным в течение почти двух десятилетий, пока работа Томсона наконец не показала, как дополнительный электрод заставляет ток течь. Когда электрод заряжен положительно, он притягивает поток электронов через вакуум и замыкает цепь, но при отрицательном заряде он отталкивает электроны и отключает ток. С этим пониманием изобретение Эдисона могло бы найти применение в быстро развивающемся мире.

Следующий этап нашей истории восходит к 1904 году и работе в Marconi’s Wireless Telegraph Company – телеграфной компании, где зарождались радио и телекоммуникация. Чтобы заставить телефон работать, британскому физику Джону Амброзу Флемингу нужно было преобразовать слабый переменный ток в постоянный[20]. Он столкнулся с эффектом Эдисона в 1889 году, когда работал консультантом в компании Edison and Swan United Electric Light Company[21]. Слабых сигналов, излучаемых радиопередачами, было достаточно для того, чтобы спровоцировать включение и выключение тока. Эта связь внезапно натолкнула Флеминга на идею, и позже он писал: «К моему удовольствию я… обнаружил, что в этой своеобразной электрической лампе кроется наше решение…»

Знания об электронно-лучевой трубке и угольной лампе привели к изобретению первого «термоэлектронного диода», или «вентиля Флеминга» – первого электронного устройства. Там, где электрические устройства подразумевают поток электронов по проводам, электроника подразумевает электроны, движущиеся в вакууме, которыми можно было быстро и легко управлять без механического движения более ранних электрических устройств. Изобретение Флеминга вызвало технологическую революцию. Несколько лет спустя американский изобретатель добавил третий электрод внутрь термоэлектронного диода, следуя теории Томсона[22]. К 1911 году «триод» использовался в качестве усилителя, а вскоре после этого потоки электронов в вакуумных лампах использовались в качестве осцилляторов, модуляторов электрических сигналов и многого другого. Благодаря этим чисто электронным устройствам затем появились радиосвязь и телекоммуникация на большие расстояния, радары и первые компьютеры. Зародилась электронная промышленность.

Важно ненадолго остановиться на двух различных подходах, показанных в этой истории. С одной стороны, подход, движимый любопытством Томсона, безусловно, оказался ключом к пониманию работы вакуумных ламп. Но у Томсона не было цели что-либо создавать – только знания. С другой стороны, метод проб и ошибок Эдисона окончился предпринимательским успехом. Но Эдисон не был заинтересован в детальном понимании того, как и почему эти технологии работают именно так. Флеминг смог в некотором смысле объединить эти два подхода и создать сложную технологию. Все они, несомненно, сыграли важную роль в становлении электронной промышленности, но все это было бы невозможно без ученых, проводящих эксперименты с электронно-лучевыми трубками без каких-либо коммерческих намерений.

Особенность поиска знаний и понимания посредством научного процесса, а не изобретения нового продукта методом проб и ошибок, заключается в том, что этот процесс обычно имеет кумулятивный эффект – тенденцию со временем становиться все более и более полезным. Это верно в отношении электрона, и это также верно и в отношении рентгеновского излучения, так как они связаны между собой. С появлением электронной промышленности появилась возможность производить специальные трубки для производства рентгеновских лучей, что способствовало росту рынка рентгеновских трубок для медицинского и промышленного использования. Образцы этих трубок также находятся в галерее Музея науки, рядом с электронно-лучевой трубкой Дж. Дж. Томсона и первыми вентилями Флеминга.

Остальная часть истории рентгеновского излучения представлена всего в нескольких шагах от описанных выше витрин в Музее науки – в виде большой медицинской машины, ставшей реальностью благодаря электронной промышленности и рентгеновским лучам – спасительной технологии, известной как компьютерная томография (КТ).

До 1970-х годов, если пациенту требовалось сделать сканирование мозга, врачи выполняли так называемую пневмоэнцефалографию. В основании позвоночника или непосредственно в черепе просверливали отверстие, после чего откачивалась большая часть спинномозговой жидкости (ликвора). Затем в полости мозга закачивался воздух или гелий, чтобы создать пузырь между мозгом и черепом. Пациента пристегивали ремнями к вращающемуся креслу, ставя его в разные положения (например, вверх ногами и боком), чтобы пузырь воздуха перемещался в головном мозге и позвоночнике, пока делались рентгеновские снимки в каждом положении. И без того больной человек был вынужден терпеть ужасную боль и тошноту, причем часто процедура проводилась без анестезии. Все это делалось только для того, чтобы получить достаточный контраст на рентгеновском снимке и суметь отличить мозг от (теперь уже откачанной) мозговой жидкости. После этого мучительного опыта врачи изучали рентгеновские снимки, надеясь определить, была ли форма мозга слегка искажена из-за повреждений или наростов. Очень жестокая процедура. И все же это был единственный выход с 1919 по 1970-е годы.

В то время рентгеновские лучи давали только двумерные изображения. Представьте себе тело как коробку с жидкостью, в которой находится ряд объектов (кости, органы и мышцы): рентгеновский снимок с трудом увидит объект в середине такой коробки, так как со всех сторон что-то находится на пути лучей. Врачам трудно разобраться в 3D-структурах, отображаемых в 2D. Что действительно было необходимо, так это инновация, которая могла бы создавать правильное трехмерное изображение.

В 1960-х годах Годфри Хаунсфилд, сотрудник компании EMI (Electric and Music Industries), крупной британской корпорации, которая также занималась электроникой и другим оборудованием, искал новые области применения компьютеров и придумал инновационный способ их использования для улучшения рентгеновского аппарата. Его идея заключалась во вращении источника и детектора вокруг пациента для получения серии рентгеновских снимков, которые можно было бы затем реконструировать в цифровом виде с помощью компьютеров. Так создание полного 3D-изображения внутренней части тела стало возможным, а сам аппарат получил название «компьютерный томограф», или КТ[23].

Чтобы воплотить свою идею в реальность, Хаунсфилд сначала построил экспериментальную установку сканера мозга. Он отправился на местные скотобойни, где вырезал коровьи мозги для дальнейшего сканирования[24]. В интервью он затем писал с типичным британским юмором, что «сложнее всего было тащить [мозги] через весь Лондон в бумажном пакете»[25].

Его первые тесты с удивительной четкостью показали полное 3D-изображение внутренней органической ткани. Компьютерный томограф даже выявил мельчайшие различия в тканях, которые, по мнению Рентгена, было невозможно запечатлеть: на первых рентгеновских снимках ткани были прозрачными, но объединение нескольких изображений позволяло их увидеть. Для этого потребовались вычислительные мощности, вращающаяся установка и немного хитроумной математики, но метод сработал. Первый сканер испытывался в лондонской больнице Аткинсона Морли в 1971 году. Он состоял из специально сконструированной подвижной кровати, на которой пациент лежал, поместив голову в круглое отверстие со встроенным в него сканирующим оборудованием. На самом деле установка не сильно отличалась от того, как КТ выглядит сегодня.

Первой пациенткой, прошедшей сканирование в 1971 году, стала женщина с подозрением на опухоль в левой лобной доле. Компьютерная томография успешно выявила опухоль, а последующая операция восстановила здоровье пациентки. Тогда Хаунсфилд и его команда «прыгали, как футболисты, забившие победный гол»[26]. Он осознал значимость своей работы: его изобретение положило конец мучениям, связанным с анализом традиционных рентгеновских снимков черепа.

Хаунсфилд не остановился на сканере мозга, который был представлен миру в 1972 году, – он взялся за создание машины, которая могла бы раскрыть внутреннюю работу остального человеческого тела. К 1973 году первые компьютерные томографы установили в больницах Соединенных Штатов, а к 1980 году 3 млн компьютерных томографов было установлено по всему миру. Со временем компьютерные томографы стали настолько повсеместными, что к 2005 году ежегодно проводилось 68 млн сканирований.

С тех пор новые идеи привели к созданию изображений в реальном времени, сочетанию с другими методами визуализации (с которыми мы познакомимся позже) и первостепенному использованию КТ в отделениях неотложной помощи. В 1970-х годах для получения изображения требовалось около получаса, современные машины получают его менее чем за секунду. Были разработаны методы компьютерной томографии, которые помогают врачам перемещаться по сердцу в 3D-формате во время установки стентов, повышая вероятность успеха процедуры. Также при помощи компьютерной томографии изучается внутренняя структура органа, которую затем печатают на 3D-принтере для лучшего понимания того, что на самом деле происходит в организме пациента. Все это помогает планировать операцию и имплантацию без единого разреза на коже. Технологии и возможности продолжают совершенствоваться, особое внимание уделяется увеличению скорости сканирования, снижению дозы облучения и получению все более детальных 3D-изображений.

Путь от открытия рентгеновского излучения до современных компьютерных томографов занял более 70 лет. Для этого потребовалась серия изобретений, прорывов в математических методах и появление компьютеров. Вы можете найти ту или иную форму этой технологии практически в любой больнице мира. Если бы вы спросили врачей во времена Рентгена, как лучше изучить внутреннее строение человеческого тела, они бы просто предложили найти скальпель поострее. Революция в медицине многим обязана стремлению Рентгена и Томсона лучше понять, казалось бы, малоизвестную область физики. Это стремление привело к созданию совершенно нового инструмента и его усовершенствованию Хаунсфилдом и другими учеными.

Конечно, не только медицина выиграла от рентгеновских лучей. В следующий раз, когда будете проезжать через аэропорт, обратите внимание на рентгеновские аппараты для сканирования багажа: они тоже зародились в лаборатории Вюрцбурга.

Наш материальный и физический мир зависит от знаний о рентгеновских лучах. Компании, производящие нефтяные трубы и самолеты, мосты и лестницы, теперь используют рентгеновские снимки, чтобы убедиться, что их продукция соответствует стандартам. Рентгеновские лучи первыми обнаруживают, где образовалась трещина или появился пузырь воздуха, точно так же, как это было в оригинальных экспериментах Рентгена. Этот «неразрушающий контроль» – скрытая часть созданного человеком мира, но именно благодаря ему наши трубы редко лопаются, а самолеты редко падают с неба. «Неразрушающий контроль» – это постоянно развивающаяся отрасль стоимостью 13 млрд долл., а на рентгеновские лучи приходится около 30 % этого рынка.

Электронике потребовалось полвека, а рентгеновскому излучению – почти целое столетие, чтобы реализовать свой нынешний потенциал, но даже открытия, описанные в этой главе, – всего лишь малая часть всей истории. В своей полноте она охватывает столетия постепенного накопления знаний и технологий – от первой вакуумной камеры, созданной в 1643 году Эванджелистой Торричелли, до изобретения первого вакуумного насоса Отто фон Герике в 1654 году. Для создания точного, но в то же время деликатного устройства с хорошо герметичными соединениями для удержания вакуума требовались опытные стеклодувы. Было необходимо оборудование, которое могло бы обеспечить достаточно высокое напряжение, чтобы высвободить электроны из металлических катодов. Таким образом, полный процесс охватывает многие поколения, даже если кажется, что прорыв произошел в мгновение ока.

Просто удивительно, как эксперименты с электронно-лучевой трубкой, проведенные между 1895 и 1897 годами, расширили наше представление об электромагнитном спектре, разрушили идею о том, что атомы – мельчайшие частицы в природе, и привели к открытию первой субатомной частицы. Если бы кого-то попросили предсказать исход этих экспериментов, он бы совершенно точно не смог оценить их влияние на наши знания о физике. Но еще вероятнее, не получилось бы предсказать влияние этих открытий на общество.

Открытия Рентгена и Томсона объединяет и тот факт, что они были быстро внедрены в технологию. Обе идеи стали неотъемлемой частью инноваций в области электроники и медицинского оборудования в последующие десятилетия. Однако фундаментальные концепции, на которых основывались эти технологии, пришли не из промышленности. Они исходили от пытливых умов, экспериментирующих в поисках новых знаний. Сегодня у многих электронно-лучевая трубка, также известная как кинескоп, ассоциируется со старыми телевизорами, но это нечто гораздо большее. Она олицетворяет ту силу, которой обладают движимые любопытством исследования.

Эксперименты с электронно-лучевыми трубками опровергли идею о том, что физика уже почти вся понятна. С зарождением субатомной физики перед любознательными учеными открылись новые перспективы. Следующие важные эксперименты будут проведены одним из учеников Томсона, когда физики начнут спрашивать, что же еще находится внутри атома.

Глава 2

Эксперимент с золотой фольгой: строение атома

Эрнест Резерфорд пробыл в Монреале всего несколько месяцев, когда получил приглашение на дебаты от местного физического общества. Это был 1900 год, и тема была сформулирована так: «Существование тел, меньших, чем атомы». Резерфорд горел желанием принять участие в дебатах и написал своему бывшему наставнику Дж. Дж. Томсону, что надеется победить своего оппонента Фредерика Содди, химика, получившего образование в Оксфорде. Содди был младше Резерфорда на шесть лет. Его всегда интересовали проблемы на стыке физики и химии, но в Резерфорде он нашел физика, который потряс саму основу химии[27]. Эти дебаты положили начало одной из самых удивительных серий открытий в науке и побудили не только ученых, но и художников, философов и историков полностью пересмотреть свои представления об окружающем мире.

Содди заговорил первым. Это был высокий серьезный блондин с голубыми глазами. Младший из семи братьев, родившийся на юге Англии, еще школьником преодолел дефект речи и превратил свою бывшую детскую в химическую лабораторию, где мог проводить эксперименты, пускай иногда и был близок к тому, чтобы поджечь дом. У него были две непоколебимые ценности – правдолюбие и красота[28].

Содди пришел защищать атом. Его позиция заключалась в том, что электрон, открытый Томсоном и другими, должен быть чем-то отличным от «материи», известной ему и другим химикам. «Химики сохранят веру и благоговение перед атомами как постоянными сущностями, если не неизменными, то уж точно еще не преобразованными», – сказал Содди. Затем он бросил вызов Резерфорду: «Возможно, профессор Резерфорд сможет убедить нас в том, что материя, известная ему, действительно та же самая, что известна и нам»[29].

Резерфорд выступил в защиту своей позиции. Электроны, согласно его теории, составляли часть обычной материи. Он описал работу Томсона и тех, кто был до него: Генриха Герца и Филиппа Ленарда в Германии, Жана Перрена во Франции и Уильяма Крукса в Англии. Резерфорд проанализировал эксперименты Томсона по открытию электрона и объяснил, что, поскольку электроны, по-видимому, происходят из материи, они должны составлять часть атома. Он так хорошо объяснил новые экспериментальные результаты, что покинул аудиторию студентов и сотрудников университета Макгилла, будучи уверенным, что теперь уж они изменят свое давнее представление об атомах как о мельчайших неделимых строительных блоках материи. Но хотя Резерфорд и выиграл дебаты, оставалось много вопросов о том, что происходит внутри материи. Химики и физики так и не достигли согласия.

Эрнест Резерфорд – Эрн для друзей – был физиком, но он был настолько далек от стереотипа физика-интроверта, насколько можно себе представить. Он был высоким, атлетически сложенным и говорил таким громким голосом, что мог нарушить работу чувствительного научного оборудования в лаборатории. В отчаянии его ученики в конце концов соорудили светящуюся вывеску, которая висела над их экспериментами и гласила: «Говорите тише, пожалуйста». По словам научного писателя Ричарда П. Бреннана, у Резерфорда было «глубоко укоренившееся убеждение, что брань во время эксперимента помогает ему лучше работать, и, учитывая его результаты, он, возможно, был прав»[30].

Когда Резерфорд прибыл в университет Макгилла, он выглядел слишком молодым для своей новой роли профессора физики: его карьерный путь набрал обороты благодаря настоятельной рекомендации его старого советника Томсона. Всего за несколько лет до этого Резерфорд переехал из своей родной Новой Зеландии в Англию, ступив на путь новых открытий в области радиации с энтузиазмом блестящего молодого ума, стремящегося себя проявить. Он быстро стал звездным студентом в Кембридже, демонстрируя независимость в исследованиях, пока его наставник был занят (справедливости ради, его наставник в то время открывал электрон).

Открытие радиоактивности произошло несколько случайно в 1896 году, когда французский физик Анри Беккерель изучал светоизлучающие эффекты кристаллов урана. В 1898 году Мария Кюри обнаружила излучение, испускаемое элементом торием, и вместе со своим мужем Пьером, присоединившимся к ней в исследованиях, она объявила об открытии полония[31] и радия, дав радиоактивности ее название, – и все это в один знаменательный год. Еще учась в аспирантуре в Кембридже, Резерфорд присоединился к этой работе и продемонстрировал, что существует по крайней мере два различных типа излучения: альфа-излучение, которое можно остановить листом бумаги, и бета-излучение, которое можно остановить куском дерева[32]. Альфа, бета и, несколько лет спустя, гамма-излучение были названы с использованием первых трех букв греческого алфавита. Сначала их природа была неизвестна, хотя прошло совсем немного времени, прежде чем в 1899 году Беккерель идентифицировал бета-излучение как электроны, а в 1907 году Резерфорд выяснил, что альфа-излучение состоит из атомов гелия, потерявших два электрона, что дает им двойной положительный электрический заряд. Хотя в то время об этом не было известно, гамма-излучение состояло из высокоэнергетического света, похожего на рентгеновские лучи. Открытия Резерфорда в области радиоактивности, безусловно, привлекли внимание Томсона.

Получив должность профессора в Макгилле, свою первую исследовательскую группу и собственную лабораторию, Резерфорд хотел еще глубже проникнуть в феномен радиоактивности. В Канаде царила атмосфера, несколько отличающаяся от Кембриджской, но она, казалось, освободила его от социальных ограничений старого английского университета, так что он мог поступать так, как ему хотелось. Он поставил перед собой высокую цель: понять структуру атома.

После их первых дебатов в 1900 году между Содди и Резерфордом возник неподдельный интерес, который привел к сотрудничеству: каждый все больше хотел понять работу другого. Содди так увлекся изучением радиации, что прослушал продвинутый курс Резерфорда, в котором ученый рассказывал о рентгеновских лучах, излучении урана и тория, а также о практическом применении электрометра. Как химика, Содди больше всего впечатлил электрометр, который мог обнаруживать даже мельчайшее количество тория по испускаемому им излучению. Этот метод оказался гораздо более точным, чем простое взвешивание материалов, как это делали химики. Электрический метод мог обнаружить количество материала в 10¹² (1 триллион) раз меньшее, чем самые лучшие аналитические весы.

Тем временем Резерфорд принял на работу свою первую аспирантку: женщину по имени Гарриет Брукс. Женщины-аспирантки в то время были чрезвычайно редки, хотя, возможно, успех Марии Кюри оказал некоторое влияние. Брукс, третья из девяти детей, родилась в маленьком городке в западном Онтарио. Ее отец продавал муку, семье часто недоставало еды. К сожалению, мало что известно о том, как она обнаружила свою любовь к физике, а также о ее личности или характере: все это просто не было записано[33]. Что кажется очевидным, так это тот шанс, который может дать ей высшее образование: возможность покинуть семейный дом и стать независимой. После четырех лет учебы в Макгилле Гарриет получила степень бакалавра с отличием и несколько стипендий по математике и немецкому языку, что избавило семью от необходимости ее содержать. Она была очень способной студенткой, и неудивительно, что Резерфорд – который не питал никаких предрассудков касательно женщин в науке, – пригласил ее работать с ним.

Вместе Резерфорд и Брукс исследовали элемент торий, обнаружив, что он испускает таинственную «эманацию», своего рода газ, который не был похож ни на что из виденного ими прежде. Но еще более странным показалось то, что излучение, судя по всему, делало радиоактивными близлежащие объекты. То есть, когда излучение вступало в контакт с объектом, оно, казалось, воздействовало на объект так, что он спонтанно испускал альфа-, бета- или гамма-излучение, точно так же, как это делают природные радиоактивные материалы, такие как радий и полоний.

Брукс получила стипендию за свою докторскую работу с Резерфордом и потратила ее на поездку из Канады в Англию в 1902 году, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном. Она стала первой женщиной, обучавшейся в Кавендишской лаборатории.

Пытаясь понять полученные результаты, Резерфорд начал думать, что ему мог бы помочь кто-то, владеющий химическими методами, и пригласил Содди, который немедленно согласился, отказавшись от своей предыдущей исследовательской работы[34].

Содди продолжил работу Брукс, используя химические методы, чтобы выяснить, вступит ли эманация тория в реакцию с различными химическими агентами, но безрезультатно. Он обнаружил, что температура не имела никакого значения, равно как и то, где протекал эксперимент: в углекислом газе или воздухе. Излучение казалось каким-то инертным газом. Содди был уверен, что это не сам торий, а что-то им образованное.

Наконец, все прояснилось. Торий превращался в газ. Атомы тория самопроизвольно меняли форму. Это было не совсем похоже на мечту алхимика превратить свинец в золото, но атомы менялись. Содди «стоял, потрясенный колоссальным значением этого явления», и воскликнул: «Резерфорд, это трансмутация!»[35]

Теперь мы знаем, что Резерфорд и Содди наблюдали распад радиоактивных элементов, которые превращаются в другие элементы, испуская альфа- и бета-частицы, и в конечном итоге образуя стабильные вещества. Природа все это время занималась алхимией бесплатно. Содди, который всего несколькими годами ранее настаивал на неизменности химических атомов, нашел доказательства того, что полностью перевернуло его мировоззрение.

Далее они определили, что радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону. В течение определенного времени, известного как период полураспада, половина атомов в куске радиоактивного материала превращается в атом другого типа. Если вы начнете со 100 атомов кислорода-15 (радиоактивный изотоп кислорода с атомной массой, в пять раз превышающей атомную массу атома водорода), то через две минуты останется всего 50 атомов. Остальные 50 замените на азот-15. В последующие две минуты останется всего 25 атомов (50 ÷ 2). В следующие две минуты останется 12,5 атомов, и так далее. (Технически у вас не может быть половины атома, но период полураспада в две минуты остается прежним.) Материя больше не представлялась стабильной, неизменной субстанцией, как раньше.

Идеи Резерфорда и Содди были радикальными по меркам начала ХХ века, поэтому реакция научного сообщества оказалась неоднозначной. В Лондоне лорд Кельвин (Уильям Томсон), самая высокопоставленная фигура в британской физике, просто отказывался верить в распад атомов. Химики, которые верили в нерушимость материи, тоже восстали против этой работы. В Макгилле выходки Резерфорда и его теории радиоактивности также начали беспокоить других профессоров. Остальные преподаватели считали, что его неортодоксальные идеи о материи могут навлечь на университет дурную славу: члены Физического общества, где он и Содди дискутировали, были настроены крайне критично и посоветовали Резерфорду отложить публикацию и быть осторожнее[36]. Как-то его коллеги-профессора затащили его на встречу и недвусмысленно посоветовали оставить эту ситуацию. Резерфорд выбежал из аудитории, с трудом скрывая негодование.

Резерфорд не стал ходить по струнке. В 1904 году, прогуливаясь по кампусу, он наткнулся на профессора геологии Фрэнка Доусона Адамса. Без всяких предисловий он спросил Адамса, сколько предположительно лет Земле. Адамс рискнул дать цифру в 100 миллионов лет, основываясь на различных методах оценки того времени. Резерфорд сунул руку в карман, вытащил черный камень и выпалил: «Адамс, я без всяких сомнений знаю, что этому куску смоляной обманки 700 миллионов лет», – а затем ушел.

Постоянно распадающееся радиоактивное вещество в природе, как предположил Резерфорд, можно использовать для оценки возраста Земли. Камни содержали небольшое количество радиоактивных атомов, которые он и Содди изучали. Если бы он знал скорость распада от одного атома к другому, он мог бы подсчитать количество неразложившихся атомов по сравнению с количеством «превращенных» частиц и вычислить, как долго просуществовал этот объект. Резерфорду пришла в голову идея радиометрического датирования. Свои первые оценки он проводил с ураном-238, где 238 означает массовое число атомного ядра. Элементы с различным массовым числом называются изотопами