125 лет назад, 30 апреля 1897 года, директор Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Джозеф Джон Томсон впервые сообщил о существовании заряженных субатомных частиц неизвестной природы, которые вскоре были названы электронами. Хотя это достижение традиционно принято приписывать одному лишь Томсону, на самом деле оно стало результатом многолетних исследований разных ученых из разных стран. Юбилей — хороший повод попытаться восстановить и рассказать реальную историю открытия электрона.
В этот день на пятничном вечернем заседании лондонского Королевского института Великобритании (Royal Institution of Great Britain) был заслушан доклад Джозефа Джона Томсона. Главной темой сообщения 40-летнего Кавендишского профессора экспериментальной физики Кембриджского университета (и, в силу своей должности, директора общеуниверситетской физической лаборатории имени Кавендиша) было обсуждение его недавних экспериментов с высоковольтными газовыми разрядами при низких давлениях. Полученные результаты позволили предположить существование очень легких частиц с отрицательным зарядом, равным по абсолютной величине положительному заряду иона водорода. Этот доклад (J. J. Thomson, 1897. Cathode Rays) был сразу опубликован в двух весьма престижных британских изданиях, журналах The Electrician и Proceedings of the Royal Institution. Спустя полгода, в октябре, автор представил более полную версию своих результатов (J. J. Thomson, 1897. On Cathode Rays). Затем последовали еще две статьи (J. J. Thomson, 1898. On the Charge Carried by the Ions Produced by Röntgen Rays и J. J. Thomson, 1899. On the Masses of the Ions in Gases on Low Pressure), которые окончательно оформили сделанное открытие. У Томсона были и другие публикации в те же 1897–99 годы, но их можно оставить за кадром.
Томсон предложил для своих гипотетических частиц нейтральное название — корпускулы. Более того, он не изменял ему вплоть до начала второго десятилетия XX века (в том числе, и в своей Нобелевской лекции, прочитанной в 1906 году в Стокгольме). Однако в лингвистическом багаже тогдашней физики этот термин не задержался — современники Томсона уже через два-три года стали именовать новооткрытые частицы электронами. Вряд ли стоит напоминать, что очень скоро это название стало общепринятым.
В столь коротком изложении история открытия электрона выглядит как вполне традиционное (если угодно, парадигмальное) описание из учебника. Замечательный исследователь собственными трудами обнаружил ранее неизвестное явление, детально изучил его свойства, обдумал и понял физический смысл. Он поделился своими выводами с собратьями по цеху и быстро получил их признание, высшим символом которого стало присуждение самой престижной в мире награды за научные достижения. Однако же реальная история, как это всегда бывает, гораздо сложнее и интересней. Открытие электрона было длительным процессом, в котором отметились многие замечательные ученые как из Британии, так и из континентальной Европы. Сейчас, по случаю 125-летия действительно основополагающего доклада Томсона, не грех вспомнить, как же всё было в действительности. Причем, каюсь, вспомнить только в самых общих чертах: детальная история открытия электрона — и тем самым рождения физики элементарных частиц — не укладывается и в многостраничную монографию. И все же — благословясь, приступим.
Кое-что об историческом контексте
Многочисленные шаги к открытию электрона нельзя рассматривать в отрыве от великой революции, которая буквально на глазах Дж. Дж. Томсона и его коллег разворачивалась в физике на рубеже XIX и XX столетий. По степени радикализма она, пожалуй, превзошла политические процессы, запущенные взятием Бастилии и захватом Зимнего.
Эта революция началась с трех великих и почти одновременных экспериментальных прорывов. В декабре 1895 года профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген обнаружил жесткое электромагнитное излучение, практически мгновенно получившее его имя. В феврале 1896 года руководитель кафедры физики в парижском Национальном музее естественной истории (а по совместительству главный инженер французского Управления мостов и дорог и профессор Политехнической школы) Антуан Анри Беккерель случайно выявил проникающее излучение, непрерывно испускаемое солями урана — и тем самым открыл радиоактивность. Как уже говорилось, в 1897 году Джозеф Джон Томсон сообщил об открытии электрона.
К этому процессу вскоре подключились и физики-теоретики. В 1900 году Макс Планк объяснил свойства чернотельного излучения на основе идеи квантования энергии. В 1905 году Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности, объяснил броуновское движение на основе молекулярной гипотезы и построил квантовую теорию фотоэффекта. В следующем десятилетии в физику вошли планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом (1911 год), квантовая теория простейшего одноэлектронного атома (Нильс Бор, 1913 год), эйнштейновская общая теория относительности (1915 год). Затем последовали концепция спина (1924–25 годы), создание нерелятивистской, а вскоре и релятивистской квантовой механики (1925–1928), разработка в этом же десятилетии двух версий квантовой статистики, описывающих частицы с целым спином (бозоны) и полуцелым (фермионы), и открытие нашим замечательным соотечественником Георием Антоновичем Гамовым эффекта квантового туннелирования (1928). На начало четвертого десятилетия пришлись теоретическое предсказание нейтрино (1930), и открытия в 1932 году первой античастицы, позитрона, и незаряженного «кирпичика» атомных ядер, нейтрона. Дальше фундаментальная физика развивалась уже не столь стремительно, продолжая и осваивая итоги революции.
Но путь к электрону начался раньше, много раньше. Сам Томсон пришел к своим выводам на базе экспериментов с так называемыми катодными лучами, которые к тому времени были известны без малого 40 лет. Этому явлению будет посвящена отдельная глава, так что пока воздержусь от подробностей. Однако отмечу, что в 1879 замечательный английский физик и химик Уильям Крукс, который много занимался газоразрядными процессами, в лекции в Шеффилде во время сессии Британской ассоциации в поддержку науки предположил, что катодные лучи состоят не из атомов, а из каких-то куда более мелких и легких фрагментов вещества, в его терминологии, «ультра-атомных корпускул» (Sic!). Через 5 лет переехавший в Англию из Германии профессор прикладной математики манчестерского колледжа Оуэнса Артур Шустер не только допустил уникальную природу частиц катодных лучей, но и пришел к заключению, что все они переносят одинаковый отрицательный электрический заряд. Позднее Шустер, уже будучи полным профессором физики манчестерского Университета Виктории, измерил отклонение катодных лучей в поперечном к их движению магнитном поле и на этой основе оценил (однако еще весьма приблизительно) верхний и нижний пределы отношения их массы к заряду. Правда, Шустер, в отличие от Крукса, считал эти частицы заряженными газовыми молекулами, а не объектами субатомной природы.
Эту ошибку в 1892 году исправил крупный немецко-австрийский физик-экспериментатор (а в 1930-е годы, увы, «изобретатель» так называемой арийской физики) Филипп Эдуард Антон фон Ленард, который в те времена был ассистентом первооткрывателя электромагнитных волн Генриха Герца. Ленард изобрел названную его именем разрядную трубку со специальным окном, которое позволяло катодным лучам выходить в окружающее пространство. Эксперименты с этим прибором продемонстрировали, что лучи могут пронизывать тонкие металлические пластинки и даже преодолевать в воздухе расстояния порядка нескольких миллиметров. Отсюда однозначно следовало, что частицы катодных лучей не могут быть атомами либо молекулами, поскольку последние, как тогда уже было хорошо известно, к таким подвигам не способны. В 1905 году шведские академики вполне заслуженно оценили ленардовские опыты с катодными лучами Нобелевской премией. К этой работе Ленарда мы еще вернемся в главе об открытии Рентгена.
Однако работы Крукса и Шустера по катодным лучам были началом лишь одной из многих тропинок к открытию электрона. Самые первые результаты этого рода восходят к проведенным Майклом Фарадеем в 1833–34 годах исследованиям электролиза, которые отлились в два знаменитых закона, носящих его имя. Они утверждают, что масса осажденного на электроде вещества прямо пропорциональна количеству тока, прошедшего через электролит. Коэффициент пропорциональности, так называемый электрохимический эквивалент, особенно просто выглядит, если валентность осаждаемого вещества равна единице. В этом случае он равен отношению массы ионизированных в растворе атомов вещества к их электрическому заряду, в стандартном обозначении — m/em/e. Более того, с учетом пришедшего из физики газов числа Авогадро, то есть количества частиц, содержащихся в одном моле вещества (6,022×1023), можно вычислить и величину минимального заряда, который переносит каждый такой ион. Как показали эксперименты с электролизом, этот минимальный заряд универсален — он не зависит от выбора «начинки» электролита и численно равен 1,602×10−19 кулона.
Точности ради стоит отметить, что в XIX веке заряды чаще всего выражали в так называемых электростатических единицах, определяемых на основе закона Кулона (два точечных заряда, несущие по одной электростатической единице и разнесенные на 1 сантиметр, отталкиваются силой в одну дину). Электростатическая единица заряда (e. s. u.) применяется и в наше время, это единица в системе СГСЭ. Один кулон равен 3×109 e. s. u., так что минимальный заряд, вычисленный на основе электролитических измерений, равен 4,80×10−10 e. s. u.
Здесь, однако, есть некая тонкость. В принципе, данные по электролизу позволяют уверенно утверждать, что 4,80×10−10 e. s. u — всего лишь средний заряд одновалентных ионов. Однако можно пойти дальше и предположить в качестве разумной гипотезы, что это не средний, а точный заряд каждого такого иона.
В срединные десятилетия XIX века к такой интерпретации склонялись некоторые видные физики. Дальше всех в этом направлении зашел ирландский физик-любитель (наукой он занимался в свободное время) и видный гражданский администратор Джордж Джонстон Стони. В 1874 году, выступая в Белфасте на сессии Британской Ассоциации, он заявил, что «Природа с помощью электролиза предоставила в наше распоряжение однозначно определенное количество электричества» (в печатном виде его лекция появилась семью годами позже: G. J. Stoney, 1881. On the Physical Units of Nature). А в 1891 году Стони в статье о появлении двойных линий в оптических спектрах газов предложил называть эти элементарные заряды электронами. Интересно, что Стони сначала использовал для них слово electrines (не берусь воспроизвести его по-русски), но потом заменил его на electrons. Так без большого шума название еще неоткрытых в эксперименте носителей элементарного электрического заряда вошло в науку.
Этимологически это название восходит к древнегреческой мифологии. Электрой звали младшую дочь титана Атланта, держащего на своих плечах небесный свод, и Плейоны, дочери титанов Океана и Тефиды. Все семь дочерей Атланта и Плейоны, Плеяды, были вознесены Зевсом на небеса и превратились в звезды. Они составили звездное скопление в созвездии Тельца, также известное как Плеяды (старинное русское название Стожары). Электра (17 Тельца) — бело-голубой гигант, удаленный от Солнца на 370 световых лет. Считают, что греки назвали весьма ценимую ими золотистую окаменевшую смолу, которую привозили с побережья Северного и Балтийского морей, именно в честь этой звезды — ἤλεκτρον. В 1600 году придворный медик английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который внес огромный вклад в изучение магнетизма и электричества, в своем написанном по-латыни трактате о свойствах магнитов назвал статическое электричество electricus. Этот новый термин он сконструировал, использовав греческое имя янтаря, который, как скорее всего было известно еще античному философу, математику и астроному Фалесу Милетскому, будучи натерт шерстью, притягивает соломинки и кусочки сухих листьев (этот эффект исторически стал одним из первых проявлений электричества, зафиксированных в корпусе протонаучных знаний). Так и случилось, что имя младшей из Плеяд оказалось связанным с такими важнейшими физическими понятиями как электричество и электрон.
Лингвистическая инновация Джорджа Стони могла бы остаться его личным делом, но этого не случилось. В 1894 году этот термин вместе с самой идеей элементарного электрического заряда с подачи ирландского физика Джорджа Френсиса Фитцджеральда у Стони позаимствовал его коллега, соотечественник и друг Джозеф Лармор, который тогда, как и Томсон, уже стал членом Королевского общества и вошел в число самых влиятельных последователей и продолжателей дела Максвелла. Правда, сам Лармор в то время считал электроны не материальными частицами, имеющими определенную и точно измеримую массу, независимую от их электрических зарядов, а точечными центрами вихревых сгустков мирового эфира, обладающего упругостью относительно вращательных движений. Согласно его концепции, надстроенной над теорией Максвелла, именно в такой среде распространяются электромагнитные волны. Положительные или отрицательные заряды, которые можно было приписать таким центрам, отражали силу их взаимодействия с этими волнами. Что же касается их масс, от они, как уже говорилось, по Лармору имели чисто электрическое происхождение и потому не могли считаться автономными физическими параметрами электронов.
Лармор разработал очень сложную с современной точки зрения, хотя весьма последовательную теорию электронсодержащего вещества, получившую на рубеже XIX и XX столетий широкое признание в Англии (J. Larmor, 1900. Aether and Matter). Стоит отметить, что и Фитцджеральд тоже оказался на весьма достойном месте в истории науки. Он первым постулировал (причем в очень короткой заметке размером в единственный абзац!) сокращение линейных размеров тел в направлении их движения, что позволило объяснить нулевой результат знаменитого эксперимента Майкельсона-Морли (G. F. Fitzgerald, 1889. The Ether and the Earth’s Atmosphere). Великий голландский физик-теоретик Хендрик Антон Лоренц, с чьим именем обычно связывают эту гипотезу, выдвинул ее тремя годами позднее. И более того, в 1882 году Фитцджеральд предложил именно тот метод генерации электромагнитных волн, который спустя несколько лет применил Генрих Герц. Так что физиком он был весьма нетривиальным, хотя ныне его имя помнят немногие.
Но вернемся к Джорджу Стони. Его личный кирпичик в основание микрофизики отнюдь не ограничился изобретением одного из ее главных терминов. Как я уже отмечал, эксперименты с электролитическим осаждением веществ позволяют измерить величину элементарного заряда, равного заряду иона одновалентного атома. Стони в начале 1890-х годов произвел такие измерения, получив для заряда своего «электрона» значение 3×10−11 e. s. u. (около 10−20 кулона). Он занизил правильную величину заряда в 16 раз, но по порядку величины ошибся не слишком сильно.
Но и Стони тоже не был первым. Так, в 1840-е годы английский хирург, химик, предприниматель и любитель поразмышлять об электричестве Ричард Лейминг (Richard Laming) в нескольких статьях предположил существование субатомных частиц с единичным универсальным зарядом — правда, на основании скорее натурфилософских, нежели научных соображений. В 1870-е годы о положительно заряженных массивных атомных ядрах и окружающих их отрицательных сателлитах много меньшей массы писал профессор Лейпцигского и Гетттингенского университетов Вильгельм Эдуард Вебер, крупнейший знаток электромагнетизма и, в частности, методов определения единиц электрических и магнитных измерений.
Итак, что же мы имеем в сухом остатке? К середине последнего десятилетия XIX века несколько физиков уже пришли к гипотезе элементарного электрического заряда, а один из них с неплохой (конечно, для того времени) точностью вычислил его величину на основе опытов с электролизом. И всё это случилось еще до того, как Джозеф Джон Томсон начал серию экспериментов с катодными лучами, которая в конце концов привела его к докладу 30 апреля 1897 года. Я мог бы включить в эту плеяду еще два-три менее известных имени, например, немецкого физика Германа Эберта (Hermann Ebert), но где-то надо поставить точку.
Как писал любимый мною Фазиль Искандер, «а что же дальше — то-то, что же дальше?» Ответ очевиден. Теперь можно заняться биографией Томсона и дойти до его исследований катодных лучей. Посмотрим, что мы узнаем и к каким выводам придем.
От Манчестера до Кембриджа
Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 года в Читем Хилле, одном из пригородов Манчестера. Этот быстро растущий город (24 тысячи жителей в 1773 году и более 300 тысяч в середине XIX века) к тому времени превратился в главный центр английской текстильной промышленности. Предки Томсона происходили из равнинной части Шотландии, но со временем его многочисленная родня прочно укоренилась в Манчестере и его окрестностях. Отцу будущего ученого Джозефу Джеймсу Томсону принадлежала небольшая издательская и книготорговая фирма, основанная его прадедом Эбенезером Томсоном. Он был женат на местной девушке Эмме Свинделлз, чьи родные владели в Манчестере хлопкопрядильной компанией. У Томсонов был еще один сын Фредерик Вернон, который появился на свет через два года после Джозефа.
Свое первое образование Томсон получил в небольшой частной школе, где вполне традиционно обрел начатки латинской грамматики, британской истории и литературы и геометрии Евклида. По ее окончании отец захотел пустить сына по технической части, определив в крупную паровозостроительную фирму Шарпа и Стюарта (Sharp, Stewart and Company) с перспективой со временем получить квалификацию инженера-механика. Хотя в Англии и Ирландии в те времена в некоторых университетах уже существовали кафедры инженерных наук, ученичество в серьезной фирме считалось отнюдь не худшим способом получения хорошего технического образования. Однако свободных мест в компании не оказалось, очередь на вакансии была весьма длинной, да к тому же фирма принимала на стажировку юношей не моложе 16 лет, а Джозефу было всего четырнадцать. Приятель отца посоветовал отдать мальчика на время ожидания в местный колледж, основанный за пять лет до его рождения на капитал почти в сто тысяч фунтов, завещанный крупным торговцем текстилем Джоном Оуэнсом. Колледж быстро вырос, и в 1880 году вошел в систему только что основанного указом королевы Виктории университета ее имени. Так и получилось, что Джозеф в 1871 году стал тамошним студентом.
Этот случайный выбор учебного заведения оказался для будущего ученого не только удачным, но и судьбоносным. Через 35 лет в своих мемуарах он назвал его «важнейшим событием в жизни, определившим всю последующую карьеру» (J. J. Thomson, 1936. Reflections and Recollections). Нет никаких сомнений, что в этой оценке он ни в коей мере не преувеличил роль своей первой alma mater.
Оуэнс-колледж действительно был уникальным учебным заведением, не имевшим аналогов в тогдашней Англии. Его учебные программы ставили во главу угла не воспитание образованных джентльменов, а подготовку студентов к практической работе в области инженерных и физико-химических технологий, что было особенно важным для растущей промышленности Манчестера. Среди наставников Томсона были весьма серьезные специалисты, такие как блестящий преподаватель математики Томас Баркер (Thomas Barker) и будущий член Лондонского Королевского общества крупный специалист по строительной механике и гидродинамике Осборн Рейнольдс (те, кто изучал гидромеханику, знают число Рейнольдса, которое определяет роль вязкости в газовых и жидкостных потоках). Рейнольдс много занимался проблемами турбулентности и в связи с этим экспериментально исследовал формирование завихрений. Наблюдая его опыты, Томсон сильно увлекся вихревыми движениями и в своих последующих исследованиях не раз использовал их в качестве объяснительных моделей.
Вероятно, особое влияние на юного Томсона оказал шотландский физик и метеоролог Бальфур Стюарт, который состоял в Оуэнсе профессором натуральной философии. Он не только познакомил своего ученика с основами максвелловской теории электромагнитного поля, но и дал ему первые навыки серьезных лабораторных экспериментов на стыке физики и химии. Итогом этих занятий стала первая научная статья (строго говоря, заметка) Томсона, которая описывала результаты измерений электрического взаимодействия контактирующих изоляторов. По рекомендации Стюарта она была опубликована в престижнейшем журнале Proceedings of the Royal Society.
На последнем курсе Томсону посчастливилось встретить двух физиков, которые оказали несомненное влияние на его работы. Одним был уже упоминавшийся Артур Шустер, который получил в Оуэнс-колледже должность демонстратора при физическом кабинете. Он прочел цикл лекций, в которых подробно познакомил студентов с великим трудом Максвелла Трактат об электричестве и магнетизме. В результате Томсон не только глубже ознакомился с теорией электромагнитного поля, но и самостоятельно изучил в библиотеке ранние статьи Максвелла, где электромагнитные взаимодействия описывались в терминах вихревых процессов в мировом эфире. Вторым стал недавний выпускник Кембриджа Джон Генри Пойнтинг, который со временем стал одним из наиболее глубоких интерпретаторов максвелловской теории. В частности, он нашел известную формулу для вектора плотности потока энергии электромагнитного поля (вектор Пойнтинга). Томсон и Пойнтинг дружили до смерти последнего в 1914 году и в соавторстве опубликовали несколько учебников.
Во время обучения Джозефа в колледже в возрасте 38 лет скончался его отец. Семью постигли денежные затруднения, но Джозеф все же получил диплом в срок благодаря заработанным премиям и стипендиям. К этому времени он твердо знал, что хочет посвятить себя науке — предпочтительно, физике. Для англичанина наилучшей возможностью достичь этой цели в то время было обучение в Кембриджском университете, и в октябре 1876 года Томсон (правда, со второй попытки) стал первокурсником Тринити-колледжа. Эта прославленная школа, которой в тот год исполнилось 330 лет, насчитывала среди своих выпускников такие ярчайшие звезды английской науки, как Фрэнсис Бэкон, Исаак Ньютон и Джеймс Клерк Максвелл. После этого вся жизнь Томсона была прочно связана с Кембриджем. Его земной путь закончился 30 августа очень тяжелого для его родины 1940-го года, когда Великобритания напрягала все силы в борьбе с гитлеровским Рейхом. Последний вздох он испустил в собственной спальне в резиденции ректора Тринити-колледжа, которую занимал с 1917 года. Так что его кембриджский путь продлился 64 года.
От студента до профессора
Став студентом, Томсон начал интенсивно изучать математику и математическую физику. Его шансы на научную карьеру всецело зависели от того, насколько удачно он пройдет двухчастные испытания по этим дисциплинам, известные как Математический Трайпос (Mathematical Tripos). Согласно расхожей легенде, этим названием экзамен обязан тому, что в XVIII веке претенденты давали устные ответы, сидя перед экзаменаторами на трехногом табурете (англ. tripod, лат. tripodis). Студенты, которые зарабатывали наивысшие баллы, получали звание Wrangler (в буквальном переводе — Спорщик). Во времена Томсона обладатель первого места, Senior Wrangler, после объявления результатов становился национальной знаменитостью. О нем сообщали все главные газеты, ему посвящались почтовые открытки, а его родной город обычно устраивал в его честь фестиваль с факельным шествием.
Надо сказать, что полное сведение подготовки в области точных наук к изучению их математического фундамента уже к середине XIX столетия выглядело анахронизмом. Не случайно Кембридж в 1851 году учредил Трайпос по естественным наукам — в то время он требовал сдачи экзаменов по химии, геологии, минералогии, экспериментальной физике, сравнительной анатомии, физиологии и ботанике. 43 года спустя, в 1894 году, появился Инженерный Трайпос, затем последовали трайпосы и по другим дисциплинам — кстати, сейчас их число перевалило за три десятка. Впрочем, естественнонаучный Трайпос еще долгое время не пользовался особым престижем, и Томсон, во всяком случае, через него не проходил. В январе 1880 года он сдал Математический Трайпос, получив второе место (Second Wrangler). Высшую ступень пьедестала в тот год занял уже упоминавшийся выпускник колледжа Святого Джона и младший ровесник Томсона Джозеф Лармор, которому в 1903 предстояло стать в Кембридже Лукасовским профессором математики (тем самым Лармор оказался наследником Ньютона, который занимал эту кафедру в 1669–1702 годах, и прямым предшественником Поля Адриена Мориса Дирака, который сменил на ней Лармора в 1932 году). Но и второе место в этом соревновании тоже было чрезвычайно почетным и создавало отличные перспективы научной карьеры.
И эта карьера началась без задержки. Уже в июне Томсон получил в Тринити стипендию, которая позволила ему защитить диссертацию и в 1883 году обрести должность лектора. За год до этого он стал лауреатом престижной премии имени Адамса (подробности ниже), а весной 1884 года был избран членом Королевского общества.
Диссертация Томсона была чисто теоретической — как и его университетское образование. Используя обширные познания по аналитической динамике, полученные в ходе подготовки к Трайпосу, он попытался свести все известные формы энергии (химической, электромагнитной, тепловой и т. д.) к кинетической энергии эфирных движений. Эти результаты уже после защиты он обнародовал в двух статьях, а затем положил в основу своей первой монографии (J. J. Thomson, 1888. Application of Dynamics to Physics and Chemistry). Сейчас эти штудии имеют исключительно исторический интерес, но в то время они способствовали укреплению его научной репутации.
Еще одна тогдашняя теоретическая работа Томсона оказалась содержательно неверной, однако дала начало целому направлению в теоретической физике последующих лет (J. J. Thomson, 1881. On the electric and magnetic effects produced by the motion of electrified bodies). Действуя на основе теории Максвелла, он рассмотрел прямолинейное движение заряженного шара через окружающий эфир. Томсон пришел к выводу, что такое движение будет генерировать вокруг шара магнитное поле, увеличивающее энергию эфирной среды. В результате всем известная ньютоновская формула для кинетической энергии тела E=mv2/2E=mv2/2 (mm — масса шара, а vv — его скорость) будет выглядеть как E=(m+d)v2/2E=(m+d)v2/2, где дополнительный член dd пропорционален квадрату заряда шара и обратно пропорционален его радиусу. Томсон интерпретировал эту добавку как физический эквивалент увеличения массы заряженного шара, вызванного его взаимодействием с эфиром. Фактически речь шла о торможении шара окружающим эфиром, которое выглядело аналогично увеличению степени его инерции, то есть массы. Томсон даже оценил численную величину прироста массы Земли в результате этого эффекта, который оказался чрезвычано мал, всего лишь около 650 тонн.
Конечно, сегодня очень просто отбросить этот результат на том основании, что всемирного эфира не существует, а видимый прирост массы движущегося тела, продиктованный специальной теорией относительности, обусловлен структурой четырехмерного пространства-времени и никак не связан с электрическим зарядом. Однако в плане истории физики много важнее, что в этой работе Томсона впервые появилось предположение, что масса тела может хотя бы частично иметь электромагнитную природу. Позднее эта концепция развивалась и другими крупными физиками, в частности, Фитцджеральдом, Лармором, Оливером Хевисайдом и Максом Абрахамом. С появлением и принятием СТО идея электромагнитной массы постепенно сошла на нет.
Через пару лет Томсон впервые поставил свой первый серьезный эксперимент. Для этого ему пришлось «прописаться» в университетской физической лаборатории, где в студенческие годы он никогда не работал. Она была основана за счет крупного денежного пожертвования со стороны канцлера Кембриджа седьмого герцога Девонширского Уильяма Кавендиша, который был и весьма преуспевающим промышленником. В 1870 году он предложил финансировать строительство специальной лаборатории для преподавания экспериментальной физики, которой ранее Кембридж не имел. Для ее руководства была учреждена новая профессорская кафедра, которую в марте 1871 года занял Джеймс Клерк Максвелл. Возведение лабораторного здания и установка оборудования, которые обошлись приблизительно в 10 тысяч фунтов, заняли три года. Поэтому официальное открытие лаборатории, оформленное как ее передача Кавендишем университету, состоялось 16 июня 1874 года. Занятия со студентами начались еще позднее, но в 1880-е годы лаборатория уже работала в полную силу. Еще до этого там начались экспериментальные исследования, которые сделали лабораторию центром получения новых знаний — преимущественно в области электричества, магнетизма и тепловых процессов. Право на работу в лаборатории получили все сотрудники Кембриджа.
Среди предков Уильяма Кавендиша был один из основателей Королевского института чрезвычайно талантливый ученый XVIII столетия Генри Кавендиш, внук второго герцога Девонширского, к слову, тоже Уильяма. Генри Кавендиш, уединившись анахоретом в своем имении, первым измерил гравитационную постоянную, внес крупный вклад в прогресс химии газов (пневматической химии, как тогда говорили), а также получил уникальные для своего времени результаты в области изучения электричества, которые не были известны в течение десятков лет и впервые были опубликованы Максвеллом. В частности, он за 11 лет до Шарля Огюстена де Кулона установил закон взаимодействия электрических зарядов, названный в честь французского ученого. Формально новая лаборатория получила имя в честь Уильяма Кавендиша как инициатора и жертвовователя, но это название с самого начала вызывало ассоциацию с жизнью и достижениями его великого предка.
Гениальный Максвелл прожил всего 48 лет, скончавшись от рака брюшной полости 5 ноября 1879 года. Следующим кавендишским профессором стал замечательный механик, физик и химик (а в свое время Senior Wrangler математического Трайпоса) Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей. Приход Томсона в кавендишскую лабораторию пришелся как раз на время его директорства.
Свой первый эксперимент в Кавендише Томсон поставил по совету и при помощи Рэлея. Чтобы понять его цель, понадобятся дополнительные сведения. Я уже писал об электростатической единице количества электричества, e. s. u. В физике и электротехнике тогда применялась и другая (сейчас уже устаревшая) единица, электромагнитная (e. m. u.). Она была основана на установленном в 1820 году законе Ампера, описывающем магнитные поля, порожденные электрическими токами. Отношение электромагнитной единицы к электромагнитной, e. m. u./e. s. u., представляет собой константу, имеющую размерность скорости. В середине XIX века уже было известно, что ее численная величина близка к скорости света в вакууме.
Этот эмпирический факт стал одним из краеугольных камней теории Максвелла. Он постулировал, что эта константа строго равна скорости света. На этой основе он пришел к заключению, что электромагнитные волны любых длин распространяются со световой скоростью. Отсюда следовало, что видимый свет также представляет собой волновые колебания электромагнитного поля.
К 1880 году были известны результаты целого ряда экспериментов по измерению отношения e. m. u./e. s. u. Они несколько разнились, но все приближались к скорости света. Томсон тоже провел серию подобных измерений, для чего построил специальный прибор, напоминавший мостик Уитстона, который тогда уже четыре десятка лет применялся для измерения электрического сопротивления. Обработав свои результаты, он получил для e. m. u./e. s. u величину 2,963×1010 см/сек (J. J. Thomson, 1883. On determination of the number of electrostatic units in the electromagnetic unit of electricity). Она оказалась ближе всего к тому значению скорости света, которое в те годы было общепринятым, 2,998×1010 см/сек, однако, как выяснилось позднее, содержала погрешность порядка одного процента. Учитывая отсутствие у Томсона опыта прецизионных электрических измерений, такая ошибка выглядит весьма скромной. А опыт, как известно, со временем приходит. В 1890 году Томсон вместе с ассистентом повторил свой эксперимент и получил более достоверные результаты.
В заключение этого раздела стоит рассказать о работе, за которую Томсон был удостоен премии Адамса (J. J. Thomson, 1883. On the Motion of Vortex Rings). Эта награда за лучшее сочинение на заданную тему по астрономии, математике или физике была учреждена Кембриджем для своих выпускников в 1848 году в честь одного из первооткрывателей Нептуна Джона Кауча Адамса (см. Планета, открытая на кончике пера). В 1882 году от соискателей требовалось математически изучить силовое взаимодействие пары вихревых колец, что в то время считалось весьма актуальной проблемой теоретической физики. Томсон расширил исходную постановку задачи, представив вихревые кольца в качестве допустимых моделей атомов, как они понимались в тогдашней химии. Подробности сейчас вряд ли интересны, «вихревое» моделирование атомов устарело еще на рубеже XIX и XX столетий. Отмечу только, что премированная работа стала первой монографией Томсона, что, конечно, укрепило его позиции в университете.
Выход этой книги в немалой степени способствовал его быстрому продвижению в кембриджской иерархии. Годом позже Томсон стал профессором экспериментальной физики и, как уже говорилось, директором Кавендиша. Он сменил на этой должности лорда Рэлея, который с самого начала обусловил свое директорство пятилетним сроком и осенью 1884 года подал прошение об отставке. Среди кандидатов на освободившуюся вакансию были уже знакомые нам Рейнольдс, Шустер и Лармор, демонстратор Кавендишской лаборатории Ричард Глэйзбрук — и сам Томсон. К немалому удивлению кембриджцев (да и не только их), Сенат университета именно его и выбрал секретным голосованием.
Став директором лаборатории, Томсон внес в ее работу немало изменений, но их обсуждение выходит за рамки этой статьи. Однако нельзя не упомянуть, что он положил много труда на подготовку третьего издания максвелловского «Трактата об электричестве и магнетизме», которое вышло в свет в 1891 году. Томсон придавал большое значение этой работе и, вероятно, считал ее уплатой интеллектуального долга первому директору Кавендиша и творцу теории электромагнитного поля.
Сделавшись полным профессором и директором лаборатории в 28 лет, Томсон долгое время оставался холостяком. В Кембридже он считался одним из самых завидных женихов, тем более что его годовое жалованье составляло очень солидную сумму в 500 фунтов. Всё изменилось, когда он познакомился с дочерью весьма уважаемого в университете профессора медицины сэра Джорджа Эдуарда Паджета. Рожденная в 1860 году Роуз Элизабет Паджет интересовалась физикой и в 1888 году была допущена к самостоятельным опытам в Кавендише, где изучала колебания мыльных пленок. Там она и встретила будущего супруга. В 1889 году Джозеф и Роуз стали женихом и невестой, а 2 января 1890 года обвенчались. Роуз Томсон скончалась в 1951 году, пережив супруга на 11 лет.
У Томсонов было двое детей. В 1892 году родился их сын Джордж Паджет, в 1903 — дочь Джоан. Младший Томсон пошел по стопам отца и достиг в физике если не таких же, то сравнимых высот. В 1937 году он получил Нобелевскую премию, присужденную за работы по рассеянию электронов на тонких металлических пленках. Эти эксперименты, выполненные в 1920-е годы в Абердинском университете, показали, что такое рассеяние сопровождается дифракцией частиц и тем самым продемонстрировали, что электрон обладает волновыми свойствами. Нобелевскую премию он разделил с американским физиком Клинтоном Джозефом Дэвиссоном, который вместе с Лестером Джермером получил в 1927 году аналогичные результаты (только другим методом — изучая рассеяние электронов на поверхности кристаллов никеля). Эксперименты Дж. П. Томсона и Дэвиссона с Джермером убедительно подтвердили высказанную в 1924 году Луи де Бройлем гипотезу, согласно которой любая материальная частица, подчиняющаяся законам квантовой механики, обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами (так называемый корпускулярно-волновой дуализм).
Вся сила в разрядных трубках
Если взять стеклянную трубку с электродами на концах, из которой откачан воздух до давления в тысячные доли миллиметра ртутного столба, и подать на электроды напряжение в несколько тысяч вольт, то на конце трубки, в который впаян положительный электрод (анод) появится легко различимое свечение, обычно зеленое или желто-зеленое. Оно будет гораздо ярче, если вблизи анода поставить экран из цинковой обманки или, что еще лучше, химически чистого сернистого цинка (или любого другого люминофора — вещества, которое эффективно преобразует поглощаемую энергию в световое излучение).
Как было отмечено в самом начале статьи, томсоновское открытие электрона базировалось на опытах с подобными разрядными трубками. На значимость таких экспериментов указывал еще Максвелл, и Томсон был с этим совершенно согласен. Спустя 9 лет после назначения в Кавендиш он опубликовал большой обзор новейших исследований электрических и магнитных явлений (J. J. Thomson, 1893. Notes on Recent Researches in Electricity and Magnetism). В этой монографии на стр. 52 он особо подчеркнул справедливость распространенного убеждения, что никакое другое направление экспериментальной физики не создает таких же возможностей для «проникновения в секреты электричества»). Через несколько лет он на собственном опыте убедился в правильности этого прогноза.
Однако я забежал вперед, так что начнем ab ovo. Физический агент, который вызывает свечение люминофоров в разрядных трубках, получил название «катодные лучи» задолго до работ Томсона. Поскольку оно несколько устарело, стоит напомнить, что речь идет о потоке электронов в тлеющем разряде, протекающем в сильно разреженном газе. В таких условиях значительная часть частиц, эмитированных холодным или нагретым отрицательным электродом (катодом), ускоряется вблизи него электрическим полем и направляется к аноду. Упомянутое свечение стенок стеклянных трубок объясняется тем, что быстрые электроны при падении на стекло вызывают его флюоресценцию. Цвет свечения, естественно, зависит от состава стекла.
Впервые этот феномен наблюдал в 1859 году профессор Боннского университета Юлиус Плюккер, который экспериментировал с газовыми разрядами в стеклянных вакуумных трубках. Такие трубки с парой впаянных в стекло электродов впервые изготовил в 1857 году университетский механик и стеклодув Генрих Гейслер. Чуть раньше, в 1855 году, он изобрел ртутный вакуумный насос, который позволял получать давления порядка тысячных долей миллиметра ртутного столба, и тем самым открывал путь к самым интересным экспериментам с газовыми разрядами. Через десять лет после открытия Плюккера его ученик Иоганн Вильгельм Гитторф обнаружил, что источником генерируемого в трубке излучения служит отрицательный электрод и что хотя оно и распространяется по прямой, однако отклоняется магнитным полем. В семидесятые годы XIX века сразу несколько ученых доказали, что эта загадочная эманация переносит отрицательный заряд. Один из них, Ойген Гольдштейн, в 1876 году и придумал для нее название — катодные лучи.
Стоит заметить, что физическая природа катодных лучей долго вызывала споры. Большинство британских физиков полагали их материальными частицами, в то время как немецкие коллеги обычно считали их колебаниями эфира. С другой стороны, и в Англии, и на континенте постепенно назревало все более глубокое осмысление экспериментов с прохождением токов через электролиты. Об идеях Джорджа Стони я уже писал; аналогично, великий универсал естествознания Герман фон Гельмгольц в своей Фарадеевской лекции 1881 года подчеркнул, что из законов электролиза следует, что существуют элементарные порции заряда, подобные «атомам электричества» (его термин), причем как положительного, так и отрицательного. Это идейная эволюция должна была со временем отразиться и на понимании природы катодных лучей, как в действительности и произошло.
В последней четверти XIX столетия катодные лучи обычно получали с помощью вакуумных трубок, носящих имя уже упоминавшегося Уильяма Крукса, который много исследовал газовые разряды (с редкой проницательностью он утверждал, что они порождают четвертое состояние материи, которое теперь называют плазмой). Это были модифицированные гейслеровы трубки с одним или двумя катодами (эмиттером и так называемой маской) и анодом, покрытым фосфоресцирующим материалом. Трубками Крукса располагали не только практически все научные физические лаборатории, но и школьные кабинеты физики. Что до трубок Гейслера, то в 80-е годы позапрошлого века их можно было купить в магазинах как эффектные игрушки.
И при всем этом до середины 1880-х годов эксперименты с газовыми разрядами не считались в британской (и в меньшей степени, немецкой) академической среде особо важными. В частности, в Англии из известных ученых ими помимо Крукса занимались разве что Артур Шустер и астроном немецкого происхождения Уоррен де ла Рю. Можно также вспомнить обратившегося к экспериментальной физике крупного математика (и в течение последних пяти лет жизни президента Королевского общества!) Уильяма Споттисвуда (который, к слову, совершил путешествие по России и оставил об этом любопытные воспоминания). В общем, не так уж и много.
Выход к открытию
Став руководителем Кавендишской лаборатории, Томсон обрел полную свободу в своих исследованиях. Буквально через несколько месяцев он начал экспериментировать с газовыми разрядами, и в 1886–90 годах обнародовал свои результаты в трех статьях. Я не буду их обсуждать, поскольку они не были даже промежуточными шагами к открытию электрона. В эти годы его интересовали чисто энергетические проблемы таких разрядов. Лишь после 1890 года Томсон постепенно переключил внимание на другие аспекты этого феномена, связанные с переносом электрических зарядов. Примерно тогда же он заинтересовался электролизом и стал задумываться об аналогиях между распространением электрических токов в жидкостях и в разреженных газах.
В первой половине 1890-х годов Томсон отказался и от вихревых моделей химических атомов. Он выстроил иную теоретическую концепцию, основанную на восходящей к Майклу Фарадею гипотезе силовых трубок электрического поля. Томсон представлял эти трубки в виде нитеобразных натяжений эфира, попарно соединяющих атомы между собой, чем бы те не являлись. В результате один из атомов связанной пары приобретал единичный положительный заряд, а другой получал единицу отрицательного электричества. Из этой модели логически вытекала дискретность носителей электричества, что Томсон осознал лишь постепенно. Легко видеть, что это понимание природы электричества прекрасно сочеталось с результатами экспериментов с электролизом, о которых речь шла выше.
В итоге Томсон сформировал для себя новую исследовательскую программу, которая привела его к катодным лучам. Не случайно в цитированной выше книге Notes on Recent Researches in Electricity and Magnetism Томсон подчеркнул, что его концепция электрических явлений прямо ведет к «молекулярной теории электричества» (стр. 4). Вскоре после ее публикации Томсон провел серию опытов с электролизом газов, пытаясь собрать новую экспериментальную информацию для отработки своей концепции.
Резюмирую. В первой половине 1890-х Томсон достаточно радикально изменил свои прежние представления о взаимодействиях между материей и эфиром. Шаг за шагом он осознавал, что в этих взаимодействиях ключевую роль играют дискретные электрические заряды. Он также пришел к твердому убеждению о наличии естественных связей между электрическими зарядами и химическими свойствами атомов. Для того времени такая точка зрения была весьма новой, особенно в среде физиков.
Но это еще не всё. К 1895 году Томсон приобрел серьезный опыт экспериментирования с газовыми разрядами и конструирования соответствующей аппаратуры. Годом ранее он опубликовал результаты своих измерений скорости катодных лучей — кстати, это его первая работа, где этот термин появился непосредственно в заглавии (J.J. Thomson, 1894. On the velocity of the cathode-rays). Однако в то время он все еще считал носителями электричества исключительно отдельные ионы и группы ионов и, скорее всего, никогда не задавался вопросом, могут ли в этом качестве выступать еще не известные частицы субатомных масс и размеров.
В ретроспективе можно утверждать, что открытие первой такой частицы, электрона, было уже на подходе, но пока не состоялось. Не хватало триггера, однако вскоре и он появился.
Пришествие X-лучей
В июне 1894 года профессор Вюрцбургского королевского университета Вильгельм Конрад Рентген вплотную занялся катодными лучами. Если верить его записным книжкам, он заинтересовался экспериментальными результатами недавно скончавшегося первооткрывателя электромагнитных волн Генриха Герца и его ассистента Ленарда. В начале 90-х годов Герц обнаружил, что катодные лучи проходят через тонкие листочки металла (ранее было доказано, что металлические пластинки их не пропускают). Ленард воспользовался этой информацией, чтобы вывести лучи на вольный воздух, о чем я уже рассказывал. Он использовал разрядные трубки с окошком, герметично затянутым алюминиевой фольгой. Вакуум внутри такой трубки сохранялся, и катодные лучи генерировались нормально. Применяя в качестве индикаторов вещества, флюоресцирующие под воздействием катодного излучения, Ленард обнаружил, что оно выходит из трубки, но в воздухе распространяется очень недалеко, максимум на сантиметры.
Рентген сначала намеревался проверить эти результаты, что и сделал (используя трубки с окошками, присланные Ленардом). Потом он решил выяснить, не могут ли катодные лучи проходить сквозь стекло. Однако вскоре его избрали ректором университета, и около года из-за административных обязанностей он не мог уделять достаточно времени лабораторным работам. Однако он не оставил своих планов и осенью 1895 года вновь принялся всерьез экспериментировать с катодными лучами с разрядной трубкой собственного изготовления. Поначалу работа шла вполне рутинно, но 8 ноября Рентген столкнулся с неизвестным науке феноменом.
Рентген не оставил детального описания событий того исторического дня, поэтому оно представлено в литературе в нескольких версиях. Представлю ту, которая мне кажется наиболее правдоподобной. Было известно, что катодные лучи заставляют цианоплатинид бария (он же платиносинеродистый барий) испускать зеленоватое свечение, поэтому экспериментаторы пользовались этим веществом как индикатором. Так что неудивительно, что и Рентген решил его применить в попытках продемонстрировать прохождение катодных лучей через стекло. Он страдал частичной цветовой слепотой, хоть и не был стопроцентным дальтоником. Поэтому он не только зашторивал окна своей небольшой лаборатории, но и обертывал разрядную трубку черной бумагой, чтобы легче наблюдать флюоресценцию. Иначе он, пожалуй, и не заметил бы слабое свечение, исходящее от листка бумаги на его рабочем столе, расположенном в паре метров от включенной разрядной трубки. Приблизившись, он увидел, что зеленым светится буква А, которую раньше один из его студентов написал раствором цианоплатинида бария.
Рентген был сильно озадачен. Катодные лучи никак не могли преодолеть расстояние от трубки до стола, а других активаторов флюоресценции вроде бы не имелось. И все же причина свечения крылась именно в трубке Ленарда, поскольку при отключении тока свечение исчезало. И вот тогда, в величайший момент своей жизни, он решил исследовать этот феномен. Без листка со светящейся буквой вполне можно было обойтись, поскольку в его распоряжении были пластинки, покрытые платиносинеродистым барием.
Правда, наблюдения пришлось прервать, ибо служанка в который раз позвала герра профессора отобедать (далеко ей ходить не приходилось, у него была квартира в здании физического института). В этот вечер Рентген ел рассеянно, почти не разговаривал с женой и сразу вернулся в лабораторию, где проработал всю ночь. Потом он практически не выходил оттуда полтора месяца. Эксперименты поглотили его настолько, что в первую неделю он даже не делал никаких записей — неслыханная вещь для немецкого физика. Вновь и вновь повторяя и переповторяя многочисленные серии опытов и попутно улучшая конструкцию разрядной трубки, он в конце концов убедился, что открыл ранее неизвестное излучение. Не зная природы этого явления, он назвал его Х-лучами. Это название все еще применяется в англоязычных странах, но большинство человечества по примеру Германии именует их лучами Рентгена.
В ходе ноябрьских и декабрьских экспериментов 1895 года Рентген установил множество свойств нового излучения. Прежде всего он убедился, что оно исходит из участка разрядной трубки, на который падает пучок катодных лучей (для этого он изменял траекторию пучка с помощью магнита и проверял, где наиболее ярко светится пластинка-индикатор). Он выяснил, что это излучение не только заставляло флюоресцировать бариевый препарат, но и засвечивало обернутые в черную бумагу фотопластинки. Он заметил, что оно проходит через многие среды и нередко позволяет видеть предметы изнутри. Именно тогда Рентген сделал свою знаменитую фотографию деревянного ящика, внутри которого видны металлические гирьки-разновесы.
Рентген с самого начала подозревал, что его лучи сродни видимому свету, и поэтому пытался наблюдать их преломление и отражение. К сожалению, его приборы просто не предоставляли этой возможности. Волновая природа рентгеновских лучей была с полной убедительностью продемонстрирована лишь в 1912 году, когда будущий Нобелевский лауреат Макс фон Лауэ с помощью своих студентов Пауля Книппинга и Вальтера Фридриха обнаружил их дифракцию на кристаллических решетках. Стоит отметить, что Лауэ тогда был приват-доцентом в мюнхенском университете Людвига и Максимилиана, где в это время профессорствовал и сам Рентген.
Рентген работал без лаборантов и долгое время не рассказывал о своем открытии коллегам-физикам (первым, кто о нем узнал, был его друг зоолог Теодор Бовери). 22 декабря он наконец позвал в лабораторию жену. В тот день был сделан рентгеновский снимок ее левой руки, который вскоре облетел мировую прессу. Впрочем, еще до этого Рентген увидел изображение костей собственной руки, помещенной между трубкой и флюоресцирующим экраном.
Тогда же Рентген решился на публикацию. В другое время он скорее всего начал бы с доклада на заседании Физико-медицинского общества, но в рождественские дни оно не работало. Поэтому он написал и передал секретарю Общества десятистраничную статью, попросив того озаботиться ее срочной публикацией. 28 декабря 1895 года она появилась в «Ведомостях Физико-медицинского общества Вюрцбурга». После этого сообщения об открытии Х-лучей разлетелись по всему миру. Большинство физиков сочло их эфирными волнами, хотя, возможно, и не того типа, которого требовала теория Максвелла.
Разумеется, эта информация немедленно дошла до Кавендишской лаборатории, где ее обсудили на специально созванном семинаре. Томсон без задержки начал собственные эксперименты с X-лучами (или лучами Рентгена, как их стали именовать уже в 1896 году). В частности, он установил очень важный факт: облучение рентгеном разрядной трубки значительно уменьшает потенциал на электродах, при которых зажигается газовый разряд. Для нас причина очевидна: рентгеновское излучение, действуя на газ, служит мощным ионизирующим фактором. Томсон этого знать не мог, но значимость своих наблюдений вполне оценил. Были у него и другие интересные результаты, такие как открытие тока насыщения: при росте напряжения на электродах интенсивность потока катодных лучей сначала быстро росла, а затем выходила на максимум. В общем, великое открытие Рентгена сразу замкнуло внимание Томсона на эксперименты с катодными лучами. Поэтому оно и послужило тем триггером, о котором шла речь в конце предыдущей главы.
Судьба помогла Томсону и иным образом. Всё в том же 1895 году Сенат Кембриджа впервые открыл аспирантские места выпускникам других университетов, причем не только английских. Это решение оказалось чрезвычайно благоприятным и для Кавендиша. Туда пришли такие будущие звезды физической науки, как гениальный классик ядерной физики Эрнест Резерфорд, будущий профессор Оксфордского университета крупный специалист по физике газов Джон Сили Таунсенд, Чарльз Гловер Баркла, лауреат Нобелевской премии 1917 года, полученной за работы по рентгеновской спектроскопии, и другие молодые таланты, ставшие учениками и помощниками Томсона. Вряд ли нужно добавлять, что его собственные исследования от этого только выиграли. Например, только что упоминавшаяся работа о токе насыщения катодных лучей была выполнена в соавторстве с Резерфордом (J. J. Thomson, E. Rutherford, 1896. On the passage of electricity through gases exposed to Röntgen rays).
Наконец-то электрон
Вооруженный знаниями о воздействии рентгеновских лучей на газовые разряды и, что не менее важно, опытом работы с этим излучением, Томсон осенью 1896 года приступил к новым исследованиям катодных лучей. Именно они и привели к выводам, доложенным 30 апреля 1897 года в Королевском институте.
В первой серии экспериментов Томсон наблюдал отклонение катодных лучей в постоянном магнитном поле, направленном перпендикулярно вектору их скорости. Оказалось, что в таких условиях траектории лучей изгибались приблизительно по дугам окружности, причем именно в том направлении, которое следовало ожидать в случае, если лучи состоят из материальных частиц, несущих отрицательный электрический заряд. Эти отклонения от прямолинейных путей Томсон фотографировал и по свечению остаточного газа в разрядной трубке, и по сдвигу фосфоресцирующего пятна на ее задней стенке, прилегающей к аноду. Свои выводы он проверял в последующих экспериментах с модифицированной разрядной трубкой, которая позволяла с большей степенью достоверности подтвердить отрицательный заряд лучевых частиц.
Получив эти данные, Томсон сделал первый важный шаг к открытию электрона. Напомню, что в 1892 году Филипп Ленард показал, что катодные лучи могут покидать трубку и распространяться в воздухе на заметные расстояния с постепенной потерей интенсивности. Томсон пришел к выводу, что это возможно лишь в случае, если частицы лучей во много раз меньше атомов. Поэтому он предположил, что вблизи катода молекулы содержащегося в трубке газа каким-то образом разбиваются и высвобождают отрицательно заряженные корпускулы субатомных размеров. Под воздействием электрического поля эти корпускулы движутся к аноду, формируя катодные лучи. Подчеркну, что столь сильное утверждение логически никак не следовало из экспериментальных результатов и было весьма смелой гипотезой. Именно она и стала ключевым пунктом его выступления в Королевском институте и двух последующих за ним публикаций, которые упомянуты в начале статьи.
Но этим доклад Томсона не ограничился. Он измерил (еще очень приблизительно) кинетическую энергию лучей (по выделяемому ими теплу) и радиус кривизны их путей в магнитном поле. Зная напряженность поля, он смог оценить отношение массы лучевых корпускул к их заряду, то есть, величину m/em/e. Оно составило 1,6×10−7 г/e.m.u. (в этот раз Томсон воспользовался не электростатической, а электромагнитной единицей заряда). Затем он сравнил полученную величину с уже известным из экспериментов по электролизу зарядом иона водорода — 10−4 г/e.m.u. И тогда он заключил (вновь со ссылкой на результат Ленарда), что носители заряда в катодных лучах должны быть много меньше и легче водородных атомов.
Это было лишь начало. Если бы Томсон предположил, что заряд его корпускул равен заряду водородных ионов (конечно, с обратным знаком), он мог бы сразу заключить, что эти ионы (а тем самым и атомы) приблизительно в тысячу раз тяжелее частиц катодных лучей. Но так далеко он в тот раз не пошел, — а ведь в этой разнице масс и состояла принципиальная новизна его результата. Поэтому вряд ли можно утверждать, что 30 апреля 1897 года Томсон объявил об открытии электрона. Он и сам прекрасно понимал, что природа катодных лучей нуждается в дальнейшем изучении.
Начиная с лета, Томсон выполнил новые эксперименты с модифицированной разрядной трубкой, в которой катодные лучи могли отклоняться и магнитным, и электрическим полями (ее вполне можно считать предшественницей телевизионных кинескопов первого поколения). В этих опытах он варьировал и газы, которые заполняли трубку (воздух, водород и углекислый газ), и металлы для изготовления электродов. В результате он заключил, что значение m/em/e лежит в диапазоне от 1,1×10−7 до 1,5×10−7 г/e.m.u. Так что первые выводы в целом подтвердились.
Сейчас следует уточнить, что по современным данным отношение массы электрона к его заряду равно 0,57×10−7 г/e.m.u. То, что Томсон в первоначальных оценках ошибся в 2–3 раза, конечно, не удивительно — первые измерения новых эффектов практически никогда не бывают точными. Эти опыты описаны в третьей из его статей 1897 года, которая упомянута в первом абзаце.
В 1898 и 1899 годах Томсон продолжил опыты с катодными лучами, используя различную аппаратуру. Например, в 1898 году он изобрел способ измерения зарядов ионов газов, подвергнутых действию рентгеновского излучения. Не стоит вдаваться в детали всех этих экспериментов, поскольку современному читателю они малоинтересны. Но вот что главное: Томсон смог измерить заряд своих корпускул, получив величину 6,6×10−10 e. s. u. (2,2×10−20 e. m. u.) А это, в свою очередь, дало возможность вычислить их массу, которая оказалась равной 3×10−27 г. В 1898 и 1899 году эти результаты были представлены в двух статьях в Philosophical Magazine, которые тоже перечислены в самом начале этой статьи. Необходимо уточнить, что сегодняшнее значение массы электрона равно 9,11×10−28 г, а заряда — 4,803×10−10 e. s. u. Так что Томсон подошел к правильным значениям этих величин достаточно близко.
Итак, к чему мы пришли? Джозеф Джон Томсон в ходе трехлетних экспериментов показал, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных материальных частиц, подчиняющихся законам механики. Этим его корпускулы принципиально отличались от ларморовских «электронов», которые мыслились как сингулярности нематериального эфира. Он также с хорошей точностью определил значения их массы и заряда, а также и отношение массы к заряду. В этом, и именно в этом смысле, можно сказать, что он открыл электрон, хотя и не употреблял это название вплоть до 1911 года.
Но этим вклад Томсона в зарождающуюся микрофизику не ограничился. К 1899 году он пришел к убеждению, что новооткрытые корпускулы не только присутствуют в катодных лучах, но представляют собой универсальные компоненты материи как таковой. Эта гипотеза получила важное подтверждение уже в 1900 году, когда первооткрыватель радиоактивности Анри Беккерель показал, что обнаруженное Эрнестом Резерфордом тремя годами ранее бета-излучение урана состоит из электронов.
Томсон много думал о роли своих корпускул в строении материи. В первые годы XX столетия он изобрел собственную модель атома с участием корпускул, которую не раз модифицировал. Обсуждение различных версий этой модели выходит за рамки статьи.
Томсон обогатил знания о газовых разрядах и в другом отношении, измерив скорость катодных лучей при разных давлениях. Так что не приходится удивляться, что в 1906 году Шведская Академия наук удостоила его Нобелевской премии не за открытие электрона, а, согласно официальной формулировке, «в знак признания исключительных достоинств его теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества газами». Впрочем, сам Томсон назвал свою Нобелевскую лекцию куда более откровенно: «Переносчики отрицательного электричества».
Перед тем, как закончить этот раздел, сделаю важное уточнение. Открытие электрона было длительным и сложным процессом, в котором были задействованы многие ученые. Помимо уже названных необходимо упомянуть голландского физика лауреата Нобелевской премии 1902 года (полученной вместе с Х. А. Лоренцем) Питера Зеемана, а также его немецкого коллегу Эмиля Вихерта. Зееман не только обнаружил в 1896 году получивший его имя эффект расщепления спектральных линий в магнитном поле, но и оценил отношение заряда частиц, ответственных за излучение света, к их массе (сейчас-то мы знаем, что это электроны). Для численного значения m/em/e он получил приблизительно 10−7 г/e.m.u., что по порядку величины вполне совпадает с оценкой Томсона. Однако дальше этого не пошли ни он сам, ни его учитель Лоренц, который, правда, признал, что совершенно не ожидал такого результата. Но все же Зееман и Лоренц допускали, что открыли частицу, чья масса на два порядка (в 350 раз, согласно вычислениям Лоренца) меньше массы атома водорода (напомню, что реальная разница приближается к двум тысячам раз).
Примерно к такому же выводу — и тоже до Томсона — пришел профессор физики Кенигсбергского университета (и в будущем один из основателей сейсмологии) Эмиль Иоганн Вихерт. В январе 1897 года (то есть за три месяца до Томсона) он опубликовал статью о своих экспериментах с катодными лучами. В ней он открытым текстом утверждал, что они состоят из заряженных частиц размером много меньше молекул и даже дал вполне реалистичную оценку верхней и нижней границ диапазона численных значений отношения их заряда к массе. Однако он не смог измерить по отдельности ни заряд, ни массу и, скорее всего по этой причине, воздержался от провозглашения лучевых частиц универсальными составляющими материи, как это сделал Томсон. Наконец, в 1897 году ассистент физических институтов Берлинского и Геттингенского университетов Вальтер Кауфман тоже совершенно независимо измерил как отношение m/em/e для частиц катодных лучей, так и их массу. Один из физиков, выдвинувших Томсона на Нобелевскую премию, предложил одновременно присудить ее и Кауфману. Если верить некоторым воспоминаниям, примерно такого же мнения придерживались и супруги Пьер и Мария Кюри. В общем, повторяю, главный итог этого анализа: авторство открытия электрона по праву принадлежит целому ряду ученых.
Многоликий электрон
Джозеф Джон Томсон возглавлял Кавендишскую лабораторию до 1919 года. В XX столетии он опубликовал множество экспериментальных и теоретических работ, которые заняли свое место в истории физики. Так, в 1906 году он окончательно подтвердил, что атом водорода несет лишь один электрон, что ранее не было полностью доказано (J. J. Thomson, 1906. On the Number of Corpuscles in an Atom). Через 7 лет Томсон и его ассистент Френсис Уильям Астон осуществили разделение ионов неона с массами 20 и 22 (естественно, в атомных единицах) и тем самым доказали существование изотопов стабильных элементов (термин «изотоп» в 1910 году ввел в обращение английский радиохимик Фредерик Содди, однако сначала его использовали лишь по отношению к радиоактивным веществам). Интересно, что Томсон поначалу не признал разделенные в их эксперименте ядра за изотопы неона, поскольку полагал, что их атомные веса должны разниться на массу альфа-частицы, то есть на 4 атомные единицы. Одновременно Томсон и Астон обнаружили ион непонятной природы, который они назвали X3. Со временем выяснилось, что это был сверхтяжелый изотоп водорода, тритий.
Эксперименты Томсона и Астона стали начальным этапом применения техники разделения веществ, которая впоследствии получила название масс-спектроскопии. В 1919 году Астон изобрел и построил масс-спектрограф высокого разрешения, и за это через три года стал нобелевским лауреатом. Правда, чуть раньше аналогичный прибор создал американец Артур Джеффри Демпстер, но его аппарат базировался на другом принципе разделения изотопов и был вдвое менее точным, нежели прибор Астона. Тем не менее с помощью своего метода Демпстер в 1935 году открыл изотоп урана с атомным весом 235, который стал начинкой первой атомной бомбы.
В дополнение к Нобелевской премии Томсон получил еще множество наград — безусловно, в высшей степени заслуженных. Несмотря на то, что он застал рождение и первоначальное развитие квантовой физики, он навсегда остался физиком-классиком. В 1918 году он стал ректором Тринити-колледжа и вскоре вышел в отставку с должности Кавендишского профессора, где его сменил Эрнест Резерфорд. Томсон продолжал быть ректором вплоть до самой смерти, но в последние годы жизни, в основном, исполнял представительские функции. Случилось так, что он оказался последним ректором Тринити, прослужившем на этом посту до самой смерти. Его прах покоится в Вестминстерском аббатстве рядом с могилами Ньютона, Уильяма Гершеля, Кельвина и Резерфорда.
А вот его электрон зажил собственной (и очень насыщенной) жизнью. В XX столетии список его свойств настолько обогатился, что Томсон вряд ли узнал бы собственное детище. Отнюдь не претендуя на полноту, перечислю некоторые ключевые моменты мировой линии электрона.
Начну с того, что in statu nascendi электрон был очень скучным объектом изучения. Как правило, в нем видели бесструктурную и безразмерную (иначе говоря, точечную) частицу, чьи физические характеристики ограничиваются массой и зарядом. Как считали сначала, в своей динамике он полностью подчинялся законам ньютоновской механики. Как и любое тело, в процессе движения он мог обретать импульс и момент импульса, однако, будучи точкой, не был в состоянии обладать осевым вращением. Иначе говоря, электрону никоим образом нельзя было приписать собственный момент импульса. Разумеется, он мог взаимодействовать с электрическими и магнитными силами и излучать электромагнитные волны, но это теория Максвелла позволяла любому заряженному телу. Предпринимавшиеся в начале прошлого века попытки рассматривать электрон как сферу конечных размеров с распределенным внутри нее зарядом в конечном счете ни к чему не привели, а с появлением квантовой механики и вовсе потеряли смысл.
Именно квантовая механика запустила расширение имманентных, если так можно выразиться, свойств электрона. Первый акт такого расширения пришелся на квантовую модель водородоподобного атома, предложенную в 1913 году Нильсом Бором. Согласно его теории, электроны в составе атома могут занимать лишь дискретный набор стационарных состояний (в менее точной формулировке, набор устойчивых орбит), находясь в которых они не излучают электромагнитных волн и поэтому не теряют энергии. Этот боровский постулат, как известно, полностью противоречил классической электродинамике Максвелла — Лоренца. В 1915–1916 годах профессор Мюнхенского университета Арнольд Зоммерфельд обобщил модель Бора на основе специальной теории относительности. Это позволило расширить набор квантовых чисел, характеризующих состояния внутриатомных электронов, а заодно дать более точное объяснение эффекту Зеемана.
Дальше — больше. В 1924 году Вольфганг Паули теоретически показал, что для понимания имеющейся информации о свойствах оптических спектров электрону необходимо приписать собственный внутренний момент импульса — спин. Согласно этой гипотезе и ее последующим обобщениям, спин принимает дискретные значения, кратные постоянной Планка, и поэтому является чисто квантовым свойством микрочастицы. Тем самым к двум имманентным параметрам электрона, заряду и массе, добавился третий — спин. А вскоре Сэмюэль Гаудсмит и Джордж Юджин Уленбек подтвердили реальность спина в эксперименте.
Следующее обогащение свойств томсоновского детища пришлось на конец первой трети XX века. О демонстрации волновых свойств электрона в экспериментах Томсона-младшего и Дэвиссона с Джермером я уже писал. В 1927 году Поль Дирак сформулировал последовательно релятивистскую теорию электрона, которая объяснила существование у этой частицы спина и магнитного момента. Позже на основе своего знаменитого уравнения Дирак предсказал существование точного аналога электрона, имеющего положительный заряд. Этот антиэлектрон, он же позитрон, в конце 1931 года был экспериментально обнаружен американцем Карлом Андерсоном, а вскоре это открытие подтвердили британские физики.
Еще одно важнейшее расширение списка свойств электрона пришлось на теорию бета-распада, которую в 1934 году предложил Энрико Ферми. Согласно его модели, появление электронов при ядерном распаде связано с переходами элементарных частиц друг в друга. В частности, классический бета-распад есть процесс превращения одного из нейтронов атомного ядра в протон, электрон и нейтрино (в более строгом определении — электронное антинейтрино). Концепция подобных взаимопревращений со временем стала фундаментальным постулатом теории элементарных частиц, и возникла она опять-таки с участием электронов.
В 1930-е годы также были заложены основы релятивистской теории взаимодействия электронов с квантами электромагнитного поля — фотонами. В завершенном виде эта теория, квантовая электродинамика, появилась в конце 1940-х годов. Ее создатели, Джулиан Швингер, Ричард Фейнман и Синьитиро Томонага, были награждены Нобелевскими премиями.
Во второй половине прошлого века число зарегистрированных реакций с участием электронов и позитронов оказалось почти безграничным. Сильно расширился и корпус теоретических знаний об этих частицах. Так, в 1957 году американские физики-теоретики Янг Чжэньнин и Ли Дзундао предположили (а позднее экспериментаторы доказали), что при бета-распадах не сохраняется четность — иначе говоря, нарушается зеркальная симметрия. Этот фундаментальный результат положил начало очень глубоким исследованиям, которые привели к появлению квантовой теории микромира, основанной на принципе калибровочных симметрий. Эта теория объединила в единой концептуальной и математической структуре два типа фундаментальных взаимодействий, которые ранее считались независимыми — электромагнитное, которое описывается квантовой электродинамикой, и слабое, которое отвечает за процессы бета-распада. Она также объяснила наличие массы и у электрона, и у других элементарных частиц, которая обязана взаимодействию со специфическим квантовым полем — полем Хиггса. Вскоре теория электрослабых взаимодействий вошла в более общую теоретическую конструкцию, Стандартную модель элементарных частиц.
Но и это еще не конец. Электрон показал богатство своих возможностей и в другой сфере, физике конденсированных сред. Сейчас известно, что электроны в составе твердых тел и квантовых жидкостей участвуют во множестве коллективных процессов, которые описываются концепцией квазичастиц. К примеру, это так называемые куперовские электронные пары, делающие возможным возникновение сверхпроводимости. Это связанные состояния электрона и дырки — экситоны, и связанные состояния двух электронов и дырки либо двух дырок и электрона — трионы. В 2020 году австрийские теоретики сконструировали (пока только в виде компьютерной симуляции) квазичастичный комплекс из двух электронов и двух дырок, названный пи-тоном. Очень интересные электронные состояния возникают и в двумерных структурах, таких как графен.
Эта экскурсия по свойствам электрона заставляет вспомнить известную фразу из «Материализма и эмпириокритицизма». Обычно ее приводят в урезанном виде, я же процитирую полностью: «Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна, но она бесконечно существует, и вот это-то единственно категорическое, единственно безусловное признание ее существования вне сознания и ощущения человека и отличает диалектический материализм от релятивистского агностицизма и идеализма.»
Я не берусь судить, что именно имел в виду автор, утверждая неисчерпаемость электрона. Однако он не ошибся — открытая Томсоном частица оказалась действительно неисчерпаемой. Возможно, эту фразу можно считать самым глубоким из всех философских предвидений Ленина.
Алексей Левин
ИСТОЧНИК: Элементы https://elementy.ru/novosti_nauki/433961/Ot_korpuskuly_do_elektrona_kto_kogda_i_kak_otkryl_pervuyu_elementarnuyu_chastitsu