Чудеса обычных вещей - Маркус Чоун

Резерфорд оказался в Англии по счастливой случайности. Его стипендию Кембриджского университета поначалу выиграл другой новозеландец, обошедший Резерфорда по рейтингу. Однако в последний момент тот человек женился, и стипендия перешла к претенденту, значившемуся строчкой ниже. Резерфорд был крупным человеком с громким голосом, властными манерами и буйным характером. Однако даже в последние годы жизни, когда он был уже лордом Резерфордом, лауреатом Нобелевской премии и почитался как один из величайших физиков-экспериментаторов всех времен, у него легко появлялись слезы на глазах при мысли о том, что, не будь одного случайного события, его жизнь сложилась бы совершенно иначе.

Полнейшей неожиданностью как для Резерфорда, так и для всех остальных был размер атомного ядра. Выходило, что оно в 100 000 раз меньше самого атома. Поразительно, но атомы самым необыкновенным образом состояли из одной пустоты. По сути, они настолько «пусты», что если бы удалось выдавить из атомов все свободное пространство, то человечество, в полном его составе, уместилось бы в объеме одного кубика сахара. Но почему же атомы содержат так много пустого пространства? Или если сказать по-другому: почему они столь огромны в сравнении с их сверхмалыми ядрами? Оказывается, эти вопросы нерасторжимо связаны с другим, более фундаментальным вопросом: почему атомы существуют вообще? Ведь по законам физики их… просто не должно быть!

Законы электромагнетизма

Законы физики, о которых пошла речь, — это законы электромагнетизма. Их сформулировал в 1860-е годы шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Как говорилось ранее, Максвеллу удалось свести все электрические и магнитные явления к одному компактному набору уравнений [23]. Он начал с того, что представил силу, которую магнит оказывает на кусочек металла, как действие призрачного магнитного «силового поля», распространяющегося от магнита в окружающем пространстве. Таким же образом он представил и электрическое «силовое поле», исходящее от электрических зарядов, например от тех, которые путешествуют по проволоке в виде электрического тока.

Однако теория Максвелла не просто описывала поведение электрического и магнитного полей. В ней скрывался большой сюрприз. Изучая уравнения, которые он записал, Максвелл отметил, что они допускают существование волны — волнообразного движения, проходящего сквозь электрическое и магнитное поля. Такая «электромагнитная волна» должна была распространяться в пространстве подобно ряби на поверхности пруда. И в пустом пространстве она обладала характерной скоростью.

Каково же было изумление Максвелла, когда он обнаружил, что эта скорость — скорость света!

До того ни один ученый — если не считать пионера электричества Майкла Фарадея — не заподозрил, что между электричеством, магнетизмом и светом может существовать хоть какая-то связь. Это ведь очень разные явления! Но вот же она, связь-то: уравнения Максвелла ясно показывали, что это волна электричества и магнетизма, распространяющаяся в пустом пространстве со скоростью света. Не нужно было быть гением, чтобы догадаться: эти две вещи, волна и свет, — одно и то же. Свет, понял Максвелл, и есть электромагнитная волна.

Это неожиданное открытие изменит мир до неузнаваемости. Теория Максвелла предсказывала, что если просто «потрясти» электрический ток в проволоке, то это заставит ток излучать электромагнитные волны — не свет, видимый глазом, а другие волны, более длинные, которые впоследствии получат название радиоволн. Максвелл умер в 1879 году, в возрасте 48 лет; его предсказание будет подтверждено немецким физиком Генрихом Герцем (1857–1894) в 1887-м. Еще через 14 лет, в 1901 году, Гульельмо Маркони (1874–1937) сумеет организовать первую радиосвязь через Атлантику, провозвестив эпоху мгновенной коммуникации, что сделает возможным современный мир.

Теория Максвелла гласит: электромагнитные волны порождаются любым электрическим зарядом, который получает «ускорение», — то есть зарядом, меняющим либо свою скорость, либо направление движения, либо и то и другое. «Тряска» электрического тока в проволоке ускоряет носителей тока — электроны, — вот почему такая проволока-антенна излучает радиоволны. Но тут возникает проблема с атомами. А именно: то самое явление, которое обеспечивает возможность дальней связи, полностью отменяет «планетарную» модель атома Резерфорда. Трудность здесь вот какая: электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, постоянно изменяет направление и таким образом постоянно ускоряется. А как заряженная частица он обязан излучать электромагнитные волны, подобно маленькому радиопередатчику. Но электромагнитные волны уносят энергию от электрона. Теряя подобным образом энергию, он должен по спирали упасть на ядро менее чем за стомиллионную долю секунды. Короче говоря, атомы не должны существовать.

Но они существуют.

Мало того что атомы не расстаются с жизнью в мгновение ока, и уж тем более за стомиллионную долю секунды, — судя по всему, они стабильны уже миллиарды лет, все то время, пока существует Вселенная. На поверку их срок жизни оказался в неимоверное число раз (это число выражается единицей с 40 нулями) больше, чем тот период, который отводят атомам законы электромагнетизма. До 1998 года, когда ученые открыли непостижимую космическую «темную энергию», это было самым большим расхождением между наблюдением и предсказанием в истории науки [24].

Резерфорд был сбит с толку. Он блестяще преуспел в раскрытии внутреннего строения атома, однако, сделав это, ученый выявил крупнейший конфликт в физической науке. Эксперимент с золотой фольгой продемонстрировал, что атом — это крошечная «планетарная» система. Однако теория электромагнетизма предсказывала, что такая система категорически нестабильна — она не продержится и «мгновения ока». Это была парадоксальная ситуация, и найти из нее выход казалось почти невозможным. Тем не менее одному человеку — молодому датскому физику — это удалось.

Нильс Бор (1885–1962) приехал в Англию в 1911 году, после того как получил докторскую степень в Копенгагене, и с тех пор работал под руководством сначала Дж. Дж. Томсона, а затем Резерфорда. Он понимал, что планетарная модель атома Резерфорда, подкрепленная серьезными экспериментальными данными, вполне убедительна. Но вместе с тем он понимал, что и законы электромагнетизма, подарившие миру электромоторы и динамо-машины, убедительны в неменьшей степени. Боровское революционное разрешение атомного парадокса было одновременно и простым, и дерзким. В 1913 году Бор объявил, что законы электромагнетизма просто-напросто не действуют внутри атомов. Электроны, вращаясь вокруг ядра, не испускают электромагнитные волны и поэтому не падают по спирали на ядро. Короче говоря, известные законы физики не применимы к области сверхмалых объектов.