олжны были бы работать без топлива. Принято считать, что они невозможны потому, что энергию невозможно производить из ничего. Но как бы то ни было, вечные двигатели не имеют никакого отношения к азартным играм. - Вы совершенно правы, молодой человек, - согласился профессор, несказанно довольный тем, что его зять начинает понемногу разбираться в физике. - Такие вечные двигатели (их принято называть вечными двигателями первого рода) не могут существовать потому, что их существование противоречило бы закону сохранения энергии. Однако машины, работающие без топлива, которые я имею в виду, совершенно другого типа и их принято называть вечными двигателями второго рода. Их проектируют не для того, чтобы получать энергию из ничего, а для того, чтобы извлекать ее из тепловых резервуаров, скрытых вокруг нас в недрах земли, в море и в воздухе. Вообразите себе пароход, на котором пар в котлах получается не при сжигании угля, а при извлечении тепла из окружающей судно воды. В самом деле, если бы тепло можно было заставить течь от более холодного тела к более теплому, а не в обратном направлении, как обычно, то можно было бы построить систему, которая закачивала бы забортную морскую воду, извлекала бы из нее тепло и сталкивала за борт получающиеся из воды глыбы льда. При превращении в лед одного галлона воды, выделяется столько тепла, что его достаточно для того, чтобы довести до кипения другой галлон холодной воды. Пропуская с помощью насосов несколько галлонов морской воды в минуту, можно легко получить количество теплоты, достаточное для работы двигателя приличных размеров. Для всех практических целей вечные двигатели второго рода ничем не уступали бы вечным двигателям первого рода, предназначенным для получения энергии из ничего. Если бы вечные двигатели второго рода действовали, то все в мире могли бы существовать столь же беззаботно, как человек, обладающий беспроигрышной стратегией для игры в рулетку. К сожалению, ни вечные двигатели второго рода, ни беспроигрышные стратегии существовать не могут, ибо и те, и другие одинаково нарушают законы вероятности. - Я могу допустить, что пытаться извлекать тепло из морской воды для подогрева судовых котлов - сумасшедшая идея, - сказал мистер Томпкинс. - Однако я не усматриваю никакой связи между этой проблемой и законами случая. Разумеется, если вы не станете предлагать использовать игральные кости или колесо рулетки в качестве движущихся частей машин, работающих без топлива. Но вы же ничего такого, надеюсь, и не предлагаете? - Разумеется, не предлагаю! - рассмеялся профессор. - Не думаю также, чтобы самые сумасшедшие изобретатели вечных двигателей предлагали нечто подобное. Дело совсем в ином: тепловые процессы сами очень похожи по своей природе на игру в кости, и надеяться на то, что тепло потечет от более холодного тела к более горячему, все равно, что надеяться на то, что монеты из банка казино потекут к вам в карман. - Вы хотите этим сказать, что банк холодный, а мой карман горячий? - спросил мистер Томпкинс, полностью запутавшийся в объяснениях. - В каком-то смысле да, - согласился профессор. - Если бы вы не пропустили мою лекцию на прошлой неделе, то знали бы, что тепло представляет собой не что иное, как быстрое беспорядочное движение бесчисленных частиц, известных под названием атомов и молекул, из которых состоят все материальные тела. Чем сильнее это молекулярное движение, тем теплее тело. Поскольку это молекулярное движение совершенно беспорядочно, оно подчиняется законам случая. Нетрудно показать, что наиболее вероятное состояние системы, состоящей из большого числа частиц, соответствует более или менее равномерному распределению всей имеющейся энергии по частицам. Если какая-то часть материального тела нагрета, т. е. если частицы в этой части тела движутся быстрее, то, принимая во внимание огромное число случайных столкновений, можно ожидать, что избыток энергии вскоре равномерно распределится между всеми остальными частицами. Но поскольку столкновения между частицами чисто случайные, существует также вероятность того, что совершенно случайно значительная часть энергии окажется сосредоточенной в какой-то группе частиц в ущерб всем остальным частицам. Такая спонтанная концентрация тепловой энергии в какой-то одной части тела соответствовала бы потоку тепла, направленному против перепада, или градиента, температуры, и в принципе отнюдь не исключается. Но если мы попытаемся вычислить относительную вероятность такой спонтанной концентрации тепла, то получим столь малое числовое значение, что подобное явление с полным основанием можно назвать практически невозможным. - Теперь мне понятно, - обрадовался мистер Томпкинс. - Вы хотите сказать, что хотя вечные двигатели второго рода могут изредка работать, вероятность такого события столь же мала, как вероятность выпадения семи очков сто раз подряд при игре в кости. - В действительности шансы встретить действующий вечный двигатель второго рода еще меньше, - сказал профессор. - Вероятности выигрыша в азартной игре против природы столь малы, что трудно найти подходящие слова для их описания. Например, я могу подсчитать вероятность того, что воздух в этой комнате самопроизвольно соберется под столом, оставив повсюду абсолютный вакуум. Число игральных костей, которые вы должны были бы бросать одновременно, эквивалентно числу молекул воздуха в комнате, которое мне было бы необходимо знать. Насколько я помню, один кубический сантиметр воздуха при атмосферном давлении содержит двадцатизначное число молекул, поэтому во всей комнате наберется двадцатисемизначное число молекул воздуха. Пространство под столом составляет примерно около одного процента объема комнаты, и шансы любой данной молекулы оказаться именно под столом, а не где-нибудь еще, составляют поэтому один к ста. Следовательно, вычисляя вероятность того, что все молекулы окажутся под столом, я должен умножить одну сотую на одну сотую, на одну сотую и т. д. столько раз, сколько молекул в комнате. В результате я получу десятичную дробь с пятидесятью четырьмя нулями после запятой. - Уф! - вздохнул мистер Томпкинс. - Не хотел бы я делать ставку со столь малыми шансами на выигрыш! А не означает ли это, что отклонения от равнораспределения молекул по пространству попросту невозможны? - Вы совершенно правы, - согласился профессор. - Можно считать твердо установленным фактом, что смерть от удушья из-за того, что весь воздух соберется под столом, нам не угрожает и жидкость в бокале не закипит вдруг сама собой. Но если мы сосредоточим внимание на гораздо меньших областях, содержащих существенно меньшее число наших игральных костей - молекул, то отклонения от статистического распределения станут значительно более вероятными. Например, в этой же самой комнате молекулы воздуха то и дело группируются несколько более плотно в одних точках пространства, чем в других, образуя слабые неоднородности, которые получили название статистических флуктуаций плотности. Когда солнечный свет проходит через земную атмосферу, такие неоднородности приводят к рассеянию голубых лучей спектра и придают небу знакомый всем голубой цвет. Если бы не было этих флуктуаций плотности, то небо всегда было бы совершенно черным и звезды были бы отчетливо видны даже при полном дневном свете. При нагревании жидкости до точки кипения они слегка мутнеют, что также объясняется теми же самыми флуктуациями плотности, возникающими из-за хаотичности движения молекул. Но в больших масштабах флуктуации настолько маловероятны, что мы могли бы напрасно прождать их миллиарды лет и так и не увидеть ни одной флуктуации. - Тем не менее у нас есть шанс стать свидетелями какого-нибудь необычного события прямо сейчас в этой самой комнате, - настаивал мистер Томпкинс. - Ведь так? - Разумеется, такой шанс всегда есть, и было бы неразумно утверждать, будто половина содержимого супницы не может выплеснуться на скатерть потому, что половина всех молекул внезапно приобрела тепловые скорости в одном и том же направлении. - Именно такое событие произошло лишь вчера, - вмешалась в разговор Мод, закончившая просматривать свой журнал и с интересом слушавшая беседу профессора и мистера Томпкинса. - Суп пролился прямо на скатерть, хотя горничная утверждала, что не притрагивалась к столу. Профессор тихо рассмеялся. - В этом конкретном случае, - заметил он, - я склонен винить в случившемся все же горничную, а не демона Максвелла. - Демона Максвелла? - повторил мистер Томпкинс в величайшем изумлении. - А я-то думал, что ученые менее всего помышляют о всяких там демонах и прочей чертовщине. - По правде говоря, мы воспринимаем его не слишком серьезно, - пояснил профессор. - Знаменитый физик Джеймс Клерк Максвелл ввел представление о таком статистическом демоне для большей наглядности. Демон понадобился Максвеллу при рассмотрении некоторых явлений, связанных с теплотой. Демон Максвелла - существо весьма проворное и успевает изменять направление движения каждой молекулы в отдельности любым образом, каким вы только пожелаете. Если бы такой демон существовал в действительности, то тепло можно было бы заставить течь против градиента температуры и за фундаментальный закон термодинамики, известный под названием _принципа возрастания энтропии_, никто бы не дал и ломаного гроша. - Энтропии? - переспросил мистер Томпкинс. - Мне приходилось слышать это слово и прежде. Один из моих коллег однажды пригласил гостей, и после нескольких тостов присутствовавшие среди приглашенных студенты-химики спели на мотив "Ах, мой милый Августин" куплеты, которые начинались так: "Возрастает, убывает, Убывает, возрастает - Химики того не знают. Энтропия возрастает?" Кстати, а что такое энтропия? - Понять это совсем нетрудно. Энтропия - это просто термин, используемый для описания степени беспорядочности движения молекул в любом физическом теле или в системе тел. Многочисленные случайные столкновения между молекулами всегда способствуют увеличению энтропии, так как полный хаос является наиболее вероятным состоянием любого статистического ансамбля. Но если бы за работу принялся демон Максвелла, то он довольно скоро смог бы навести кое-какой порядок в движении молекул так же, как хорошая сторожевая собака не дает разбежаться и пасет стадо овец, и тогда энтропия системы пошла бы на убыль. Должен сказать вам также, что согласно так называемой Н-теореме, которой мы обязаны Людвигу Больцману... Явно забыв о том, что он разговаривает с человеком, который практически ничего не понимает в физике, а не читает лекцию студентам-старшекурсникам, профессор с увлечением продолжал свой монолог и без малейших колебаний прибегал даже к таким маловразумительным для непосвященных терминам, как "обобщенные параметры" и "квазиэргодические системы". Ему казалось, что в таком изложении фундаментальные законы термодинамики и их связь со статистической механикой Гиббса становятся кристально ясными. Мистер Томпкинс уже успел привыкнуть к тому, что его тесть изъясняется на несколько недоступном для него уровне, и поэтому с философским спокойствием потягивал виски с содовой, пытаясь придать лицу умное выражение. Но весь блеск и красота статистической физики явно ускользали от Мод, уютно свернувшейся калачиком в своем кресле и с героическими усилиями боровшаяся с дремотой. Дабы окончательно развеять сонливость, она решила встать и пойти посмотреть, как идут приготовления к обеду. - Мадам что-нибудь желает? - с поклоном спросил ее высокий тщательно одетый дворецкий, едва Мод появилась на пороге столовой. - Благодарю вас, ничего. Просто решила посмотреть, как идут приготовления к обеду, - ответила она, лихорадочно пытаясь понять, откуда он взялся. Появление метрдотеля было очень странным, поскольку прислуги Томпкинсы не держали, дворецкого у них никогда не было, они и подумать не могли о такой роскоши. Дворецкий был худощав, строен, со смуглой оливковой кожей, длинным крючковатым носом и зеленоватыми глазами, в которых тлел странный огонек. Мурашки пробежали у Мод по спине, когда на лбу у дворецкого она заметила два симметричных выступа, тщательно прикрытых черными, как смоль, волосами. - Либо я сплю, либо предо мной Мефистофель собственной персоной прямо с оперных подмостков, - подумала она. - Вас нанял мой муж? - спросила Мод лишь для того, чтобы что-нибудь сказать. - Не совсем, - ответил необычный дворецкий, завершая великолепную сервировку стола. - Если быть точным, я явился сюда по собственному желанию, дабы показать вашему батюшке, известному своими познаниями, что я не миф, как он думает. Позвольте представиться: я демон Максвелла. - О! - вымолвила Мод с облегчением. - Тогда вы, должно быть, не злокозненны, как другие демоны, и не имеете намерений причинять вред кому-нибудь. - Разумеется, - успокоил ее с широкой улыбкой демон, - но я люблю разыгрывать с людьми шутки и хочу подшутить над вашим ученым батюшкой. - А что вы намереваетесь сделать? - с тревогой спросила Мод, которая никак не могла отделаться от мучивших ее подозрений.
- Просто продемонстрировать ему, что если я захочу, то могу нарушить принцип возрастания энтропии. А чтобы и вы могли убедиться в этом, я был бы очень признателен вам, если бы вы составили мне компанию. Смею уверить вас, что вам не угрожает никакая опасность. При этих словах Мод почувствовала, как демон крепко взял ее под руку и все предметы вокруг словно сошли с ума. Стол, стулья и вся прочая обстановка столовой вдруг начали с чудовищной скоростью увеличиваться, и на ее глазах спинка кресла, выросшая до гигантских размеров, закрыла горизонт. Когда все вокруг постепенно успокоилось, Мод обнаружила, что плавает в воздухе, поддерживаемая своим необычным спутником. Какие-то туманные шары размером с теннисный мяч со свистом проносились мимо по всем направлениям. Демон Максвелла предусмотрительно предотвращал их от столкновения со всеми мало-мальски опасными предметами. Взглянув вниз, Мод увидела нечто вроде рыбацкой лодки, до самых уключин груженой трепыхающейся, блещущей серебром рыбой. Присмотревшись повнимательнее, Мод увидела, что это были не рыбы, а множество туманных шаров, вроде тех, что то и дело пролетали мимо, со свистом рассекая воздух. Демон, по-прежнему крепко держа ее под руку, влек ее за собой до тех пор, пока они не очутились в море какой-то зернистой жидкости, бесформенной и в то же время подвижной. Шары прямо-таки кипели у самой поверхности моря, а некоторых жидкость засасывала, и они скрывались в пучине. Время от времени некоторые шары всплывали к самой поверхности с такой скоростью, что отрывались от поверхности моря и взмывали в пространство. Другие шары прилетали откуда-то из пространства, врезались в жидкость и исчезали под тысячами других шаров. Вглядевшись в простиравшееся вокруг море, Мод увидела, что туманные шары в действительности были двух различных сортов. Большинство шаров напоминало по внешнему виду теннисные мячи, однако встречались и шары покрупнее. Они были более продолговатыми и по форме напоминали мячи для американского футбола. Все шары были полупрозрачными и имели сложную внутреннюю, структуру, которую Мод никак не удавалось разглядеть. - Где мы? - произнесла Мод, задыхаясь. - Неужели так выглядит ад? - Нет, - улыбнулся в ответ демон. - Все гораздо более прозаично. Просто мы с вами видим под очень большим увеличением крохотный участок поверхности жидкости в бокале, с помощью которого ваш муж довольно успешно пытается не уснуть, пока ваш батюшка разглагольствует о квазиэргодических системах. Все эти шары - молекулы. Те, что поменьше, - молекулы воды, те, что побольше, - молекулы спирта. Подсчитав, если угодно, пропорцию между теми и другими, вы сможете определить крепость напитка, который смешал себе ваш муж. - _Очень_ интересно! - заметила Мод как можно более строгим голосом. - А что это за штуковины плавают там вдали? Они напоминают пару резвящихся китов. Может быть, это какие-нибудь атомные киты? Демон взглянул в том направлении, куда указывала Мод.
- Нет, это не киты, - заметил он. - Это крохотные кусочки подгоревшего ячменя - того самого ингредиента, который придает виски особый вкус и цвет. Каждый такой кусочек состоит из миллионов и миллионов сложных органических молекул, имеет сравнительно большие размеры и довольно тяжел. То, что они прыгают на поверхности жидкости, объясняется действием тех ударов, которые они получают от молекул воды и спирта, совершающих тепловое движение. Именно изучение таких частиц средних размеров, достаточно малых для того, чтобы ощущать движение молекул, и вместе с тем достаточно больших для того, чтобы их можно было наблюдать в сильный микроскоп, дало ученым первое прямое доказательство правильности основных положений кинетической теории газов. Измеряя интенсивность тарантеллы, исполняемой крохотными частицами, взвешенными в жидкости, - их броуновского движения, как обычно принято называть беспорядочное движение таких частиц, физики научились извлекать непосредственную информацию об энергии движения молекул. Демон снова повлек за собой Мод. Они неслись по воздуху до тех пор, пока перед ними не возникла гигантская стена, сложенная из бесчисленных молекул воды. Молекулы были подогнаны друг к другу точно и плотно, как кирпичи. - Какое поразительное зрелище! - вскричала Мод. - Какой прекрасный фон для портрета, который я сейчас рисую! Кстати, а что это за здание? - Перед вами фрагмент кристалла льда, один из многих кристалликов, образующих кубик льда в стакане вашего мужа, - сказал демон. - А теперь, прошу прощения, самое время начать придуманный мной розыгрыш и подшутить над старым самоуверенным профессором. С этими словами демон оставил Мод на ребре кристалла льда, наподобие альпиниста, взгромоздившегося на горный хребет, и приступил к работе. Вооружившись инструментом наподобие теннисной ракетки, демон принялся отбивать пролетавшие мимо молекулы. Быстро перемещаясь с места на место, он поспевал вовремя, чтобы отбить упрямую молекулу, упорно продолжавшую двигаться в неправильном направлении. Несмотря на опасность своего положения Мод не могла не восхищаться проворством и ловкостью демона и даже подбадривала его возгласами, когда ему удавалось отбить особенно быструю и трудную молекулу. По сравнению с тем, что вытворял демон, самые знаменитые чемпионы по теннису выглядели жалкими, безнадежно неуклюжими увальнями. Не прошло и нескольких минут, как результаты работы Демона стали заметны. Теперь, хотя часть поверхности жидкости была покрыта очень медленно движущимися спокойными молекулами, другая часть поверхности, расположенная прямо у Мод под ногами, кишела молекулами, яростно сновавшими по всем направлениям. Число молекул, покидавших поверхность в процессе испарения. быстро нарастало. Молекулы покидали жидкость большими группами по тысяче молекул и более, прорываясь сквозь поверхность жидкости в виде больших пузырей. Вскоре облако пара скрыло от Мод все и лишь время от времени она могла различить разящие взмахи ракетки и фалды фрака, в который был облачен демон, среди беснующихся молекул. Наконец, молекулы на том фрагменте льда, на котором она восседала, поддались, и Мод стала падать сквозь тяжелые облака пара, расстилавшиеся под ней...
Когда облака рассеялись, Мод обнаружила, что сидит в том самом кресле, в котором сидела перед тем, как выйти в столовую. - Святая энтропия! - воскликнул вдруг отец Мод, глядя на высокий бокал, стоявший перед мистером Томпкинсом. - Да ведь жидкость кипит! Действительно, жидкость в бокале покрылась лопающимися пузырями, и к потолку над бокалом медленно поднималась тонкое облачко пара. Было странно, однако, что напиток в стакане кипел лишь на сравнительно малом участке вокруг кубика льда. Весь остальной напиток был совершенно холодным. - Нет, вы только подумайте! - продолжал профессор севшим от волнения дрожащим голосом. - Я рассказываю вам о статистических флуктуациях в возрастании энтропии, и, пожалуйста, такая флуктуация перед нами! В результате невероятного стечения обстоятельств впервые с сотворения Земли более быстрые молекулы случайно собрались на одном участке поверхности жидкости, и жидкость сама собой закипела! В ближайшие миллиарды лет мы с вами останемся единственными людьми, которым посчастливилось видеть это необычайное явление. Профессор не отрывал глаз от напитка, который теперь медленно остывал. - Какая удача! - вздохнул он с счастливой улыбкой. - Какое необыкновенное везение! Мод улыбнулась, но ничего не сказала. Зачем ей было спорить с отцом, если на этот раз она точно знала, что истинная причина явления была известна ей лучше, чем ему. Глава 10 Веселое племя электронов Через несколько дней, заканчивая обед, мистер Томпкинс вспомнил, что вечером должна состояться лекция профессора о строении атома, которую он обещал посетить. Но маловразумительными объяснениями своего тестя мистер Томпкинс был сыт по горло, и поэтому решил пропустить лекцию и скоротать вечерок дома. Но когда он устраивался поудобнее в своем кресле, мечтая почитать интересную книгу, Мод отрезала этот путь к отступлению: взглянув на часы, она заявила мягко, но тоном, не допускающим возражений, что мистеру Томпкинсу пора отправляться на лекцию. И через каких-нибудь полчаса мистер Томпкинс сидел на жесткой деревянной скамье вместе с толпой гораздо более молодых студентов. - Леди и джентльмены, - начал профессор, строго глядя на слушателей поверх очков, - на прошлой лекции я обещал вам подробнее рассказать о внутреннем строении атома и объяснить, каким образом те или иные конкретные особенности его строения обуславливают различные физические и химические свойства атома. Вы, конечно, знаете, что атомы не рассматриваются более как элементарные неделимые составные части материи и что эта роль ныне перешла к гораздо меньшим частицам - электронам, протонам и т. д. Представление об элементарных составляющих материи как о последней ступени в делимости материальных тел восходит к древнегреческому философу Демокриту, жившему в IV веке до н. э. Размышляя о скрытой природе вещей, Демокрит пришел к проблеме строения материи и столкнулся с вопросом о том, может или не может существовать бесконечно малая порция материи. Поскольку в ту далекую эпоху любую проблему имели обыкновение решать лишь одним-единственным способом - с помощью чистого мышления и к тому же вопрос в то время находился далеко за рамками возможностей решения его экспериментальными методами, Демокрит в поисках правильного ответа опустился в глубины собственного разума. Исходя из некоторых довольно смутных философских соображений, он в конце концов пришел к выводу о том, что "немыслимо", чтобы материя безгранично делилась на все более и более мелкие порции, и что поэтому необходимо принять предположение о существовании "наименьших частиц, которые не допускают дальнейшего деления". Такие частицы Демокрит назвал атомами, что, как вы, возможно, знаете, означает по-гречески "неделимые". Я отнюдь не хочу приуменьшать величие вклада Демокрита в развитие естественных наук, однако справедливости ради хотел бы обратить ваше внимание на то, что наряду с Демокритом и его последователями в древнегреческой философии существовала и другая школа, приверженцы которой считали, что процесс деления _неограниченно продолжаем_. Поэтому независимо от того, какой ответ на этот вопрос даст в будущем точное естествознание, древнегреческой философии обеспечено почетное место в истории физики. Во времена Демокрита и даже много столетий спустя существование таких неделимых порций материи рассматривалось как чисто философская гипотеза, и только в XIX веке ученые решили, что им, наконец, удалось обнаружить те неделимые кирпичики материи, существование которых было предсказано древнегреческими философами за две тысячи лет до разыгравшихся событий. В 1808 г. английский химик Джон Дальтон установил так называемый закон кратных отношений. Он показал, что... Почти с самого начала лекции мистера Томпкинса неудержимо клонило в сон. Ему очень хотелось сомкнуть глаза и, пребывая в приятной дремоте, досидеть до конца лекции, но мешала лишь суровая жесткость университетской скамьи. Но открытый Дальтоном закон кратных отношений оказался последней соломинкой, переломившей спину верблюду, и в притихшей аудитории вскоре можно было отчетливо различить тонкое посвистывание, доносившееся из угла, где сидел мистер Томпкинс.
Когда мистер Томпкинс очнулся от сна, неудобство сидения на жесткой скамье сменилось приятным ощущением парения в воздухе. Открыв глаза, мистер Томпкинс с удивлением обнаружил, что мчится в пространстве с легкомысленно, как ему показалось, большой скоростью. Оглянувшись по сторонам, мистер Томпкинс увидел, что он не одинок в своем фантастическом путешествии. Неподалеку от него несколько расплывчатых смутных существ обращались вокруг большого тяжелого на вид объекта в центре хоровода. Это странные призрачные существа мчались парами, весело гоняясь друг за другом по круговым и эллиптическим траекториям. Внезапно мистер Томпкинс почувствовал себя очень одиноким, осознав, что лишь у него одного нет партнера. - Почему я не взял с собой Мод? - тоскливо подумал мистер Томпкинс. - Мы бы чудесно провели время в этом хороводе. Траектория, по которой двигался мистер Томпкинс, пролегала в стороне от траекторий остальных существ, охватывая их снаружи, и хотя мистеру Томпксинсу очень хотелось присоединиться к остальной компании, неприятное чувство постороннего удерживало и мешало ему сделать шаг навстречу веселым путешественникам. Однако когда одному из электронов (к тому времени мистер Томпкинс окончательно понял, что непостижимым и чудесным образом присоединился к сообществу электронов, населявших какой-то атом) случилось пролететь неподалеку от него по сильно вытянутой орбите, мистер Томпкинс решил пожаловаться на свои неудачи. - Почему у меня нет партнера для игр и забав? - прокричал он вслед электрону. - Потому, что это нечетный атом, а вы валентный электро-о-н, - донеслось в ответ. С этими словами электрон повернул и устремился в толпу пляшущих электронов. - Валентные электроны живут в одиночку или находят себе компаньонов в других атомах, - пропищал высоким фальцетом другой электрон, проносясь мимо мистера Томпкинса. "Если нужен компаньон, Знайте: в хлоре ждет вас он", - насмешливо пропел третий. - Вижу, вы здесь новичок, сын мой, и очень одиноки, - раздался над мистером Томпкинсом дружеский голос, и, возведя глаза горе, наш герой увидел плотную фигуру монаха в коричневой сутане. - Я отец Паулини, - продолжал монах, двигаясь по траектории вместе с мистером Томпкинсом, - и моя миссия в этой жизни состоит в том, чтобы наблюдать за моралью и социальным поведением электронов в атомах и повсюду. Мой долг - следить за тем, чтобы все эти беззаботные и игривые электроны были надлежащим образом распределены по различным квантовым кельям этого прекрасного атомного строения, воздвигнутого нашим великим архитектором Нильсом Бором. Дабы поддерживать порядок и сохранять свойства, я никогда не разрешаю находиться на одной и той же траектории более чем двум электронам. Стоит им собраться втроем, как хлопот не оберешься. Поэтому электроны всегда сгруппированы в пары с противоположным "спином", и если такая пара поселяется в келье, то третьему электрону не разрешается нарушать их покой. Это хорошее правило, и я могу добавить, что до сих пор ни один электрон не нарушил введеного мной распорядка.
- Может быть, это _очень_ хорошее правило, - возразил мистер Томпкинс, - но в данный момент я терплю из-за него большие неудобства. - Вижу, сын мой, - улыбнулся монах, - но вам просто не повезло. Угораздило же вас стать валентным электроном в атоме с нечетным атомным номером. Атом натрия, которому вы принадлежите, обязан иметь из-за электрического заряда своего ядра (той большой темной массы, которую вы видите в центре) одиннадцать электронов. К величайшему сожалению для вас, одиннадцать - число нечетное, что само по себе не такая уж редкость, если принять во внимание, что ровно половина всех целых чисел нечетна и только другая половина четна. Так что вам придется как появившемуся последним по крайней мере какое-то время побыть одному. - Вы хотите сказать, что позднее у меня, возможно, появится шанс обзавестись партнером? - с надеждой спросил мистер Томпкинс. - Например, выбить с орбиты кого-нибудь из электронов-первопоселенцев? - Это делается не так, - возразил монах, грозя мистеру Томгасинсу коротким толстым пальцем, - но всегда есть шанс, что какой-нибудь из электронов, обращающихся по внутренним орбитам, будет выброшен внешним возмущением и оставит после себя не занятое место, или вакансию. Но на вашем месте я не стал бы на это особенно рассчитывать. - Электроны сказали мне, что было бы лучше, если бы я проник в атом хлора, - сказал мистер Томпкинс, несколько обескураженный словами отца Паулини. - Можете ли вы посоветовать мне, как это лучше сделать? - Молодой человек, молодой человек! - с сожалением покачал головой монах. - Ну что вам так не терпится найти компаньона? Почему вы не можете по достоинству оценить прелесть одиночества и насладиться этой ниспосланной небом возможностью созерцать с миром собственную душу? Почему четные электроны так сильно льнут к мирской жизни? Но если вы настаиваете на приобретении компаньона, я помогу вам осуществить ваше желание. Взглянув в том направлении, куда я указываю, вы увидите приближающийся к нам атом хлора, и даже со столь большого расстояния вы можете легко различить свободное место, где вас, несомненно, ожидает самый теплый прием. Это свободное место находится во внешней группе электронов, так называемой М-оболочке, которая состоит из восьми электронов, разбитых на четыре пары. Но, как вы видите, четыре электрона вращаются вокруг своих осей в одном направлении и только три - в другом, поэтому одно место остается вакантным. Внутренние оболочки, называемые К- и Z-оболочками, полностью заполнены, и атом будет рад заполучить вас и заполнить свою внешнюю оболочку. Как только два атома сблизятся, вы должны просто перепрыгнуть с одного атома на другой, как это обычно делают валентные электроны. Да будет мир с вами, сын мой! С этими словами внушительная фигура электронного пастыря внезапно растворилась в разреженном воздухе. Ободренный мистер Томпкинс собрался с силами и совершил головоломный прыжок на орбиту пролетавшего мимо атома хлора. К своему удивлению, он приземлился на атоме хлора не без изящества и сразу же оказался в дружеском окружении электронов М-оболочки атома хлора. - Добро пожаловать! Рады, что вы присоединились к нам! - обратился к нему новый партнер с противоположным спином, изящно скользя вдоль орбиты. - Теперь никто не может сказать, что наше сообщество неполно. Теперь мы можем великолепно повеселиться все вместе! Мистер Томпкинс не мог не согласиться, что было действительно весело (веселье било через край!), но тут ему в голову закралась одна беспокойная мысль. - А как я объясню все это Мод, когда снова увижу ее? Впрочем, чувство вины у мистера Томпкинса вскоре рассеялось. - Мод вряд ли стала бы возражать, - решил он, - ведь в конце концов это лишь электроны. - Почему покинутый вами атом не улетает прочь? - спросил у мистера Томпкинса с недовольной гримасой его компаньон. - Он все еще надеется на ваше возвращение? Действительно, потеряв свой валентный электрон, атом натрия _накрепко_ прилепился к атому хлора, как бы в надежде, что мистер Томпкинс передумает и снова вернется на свою орбиту, по которой он мчался в полном одиночестве. - Нет, как вам это нравится! - сердито пробормотал мистер Томпкинс, хмуро глядя на атом, который поначалу принял его так холодно. - Не атом, а какая-то собака на сене! - О, они всегда ведут себя так, эти атомы с нечетными номерами, - заметил более опытный член М-оболочки. - Насколько я понимаю, вашего возвращения жаждет не столько сообщество электронов атома натрия, сколько само ядро этого атома. Между центральным ядром и его электронным эскортом всегда существуют некоторые разногласия. Ядро хочет иметь вокруг себя столько электронов, сколько оно может удержать своим электрическим зарядом, в то время как сами электроны предпочитают быть в таком количестве, которое позволяет им до конца заполнять оболочки. Существует лишь несколько видов атомов, так называемые _редкие газы_, или, как называют их немецкие физики, _благородные газы_, в которых жажда власти со стороны атомного ядра и стремления подданных-электронов находятся в полной гармонии. Например, такие атомы, как гелий, неон и аргон очень довольны царящим в них согласием между ядром и электронами и никогда не изгоняют своих электронов и не приглашают новых. Они химически инертны и держатся в стороне от всех остальных атомов. Но во всех остальных атомах электронные сообщества всегда готовы обменяться своими членами. В атоме натрия, вашем прежнем обиталище, свита ядра насчитывает на один электрон больше, чем необходимо для гармонии в оболочках. С другой стороны, в нашем атоме нормальная численность электронного населения недостаточна для полной гармонии, поэтому мы очень рады вашему прибытию, несмотря на то, что ваше присутствие перегружает наше ядро. Но покуда вы остаетесь с нами, наш атом перестает быть нейтральным и получает дополнительный электрический заряд. Поэтому атом натрия, который вы покинули, прилип к нашему атому, удерживаемый силой электрического притяжения. Однажды мне довелось слышать нашего первосвященника отца Паулини, и он сказал, что атомные сообщества с лишними или недостающими электронами называются соответственно отрицательными и положительными _ионами_. Отец Паулини использовал также термин молекула для обозначения групп из двух или более атомов, удерживаемых вместе электрической силой. В частности, комбинацию из одного атома натрия и одного атома хлора отец Паулини назвал молекулой _поваренной соли_, хотя я решительно не понимаю, что бы это могло означать. - Вы хотите сказать, будто не знаете, что такое поваренная соль? - удивленно спросил мистер Томпкинс, забыв о том, с кем он разговаривает. - Это тот самый белый порошок, которым вы за завтраком посыпаете яйцо всмятку. - А что такое яйцо всмятку и что такое завтрак? - с интересом спросил электрон. Мистер Томпкинс пробормотал что-то невнятное и тут только со всей ясностью понял всю тщетность любых попыток объяснить своим компаньонам даже самые незамысловатые детали повседневной жизни людей. - Почему-то мне не удается почерпнуть для себя ничего нового из всех этих разговоров о валентности и заполненных оболочках, - сказал себе мистер Томпкинс, решив наслаждаться своим визитом в фантастический мир атома и не забивать себе голову непонятными вопросами. Но отделаться от разговорчивого электрона было не так-то легко. Собеседник мистера Томтпсинса явно горел желанием передать своему партнеру все познания, накопленные за долгую электронную жизнь. - Не следует думать, - продолжал электрон, - что связывание атомов в молекулы всегда осуществляется только одним валентным электроном. Существуют атомы, например, атомы кислорода, которым для достраивания их оболочек необходимо два электрона, а другим атомам для заполнения оболочек недостает три и даже более электронов. С другой стороны, в некоторых атомах ядро удерживает два или более лишних, или валентных, электронов. При столкновении таких атомов, многие электроны перепрыгивают с одного атома на другой, и в результате образуются весьма сложные молекулы, состоящие из тысяч атомов. Существуют также так называемые гомополярные молекулы, т. е. молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов, но это очень неприятная ситуация. - Неприятная, но почему? - спросил мистер Томпкинс, у которого вновь пробудился интерес к теме беседы. - Слишком трудно удерживать их вместе, - пояснил электрон. - Как-то раз мне пришлось заниматься этим неблагодарным делом, и пока я находился в гомополярной молекуле, у меня не было ни секунды покоя. Совсем другое дело в таком атоме, как наш, когда валентный электрон перепрыгнул себе и прочно привязал покинутый им атом к другому атому, испытывавшему электрический голод. Чтобы удерживать вместе два одинаковых атома, несчастному электрону приходится прыгать туда и обратно, с одного атома на другой и назад, снова на первый атом. Честное слово! Чувствуешь себя, как пинт-понговый шарик. Мистер Томпкинс немало удивился, услышав от электрона, не знавшего, что такое яйцо всмятку, столь непринужденное упоминание о пинг-понговом шарике, но не стал задавать вопросов. - Ни за что на свете я не согласился бы на такую работу опять! - проворчал ленивый электрон, подавляя в себе волну неприятных воспоминаний. - Здесь же мне вполне удобно и покойно. - Минутку! - воскликнул он внезапно. - Кажется, я вижу местечко поудобнее. По-ка-а! И гигантским прыжком электрон отправился куда-то в глубь атома. Бросив взгляд в том направлении, в котором исчез его собеседник, мистер Томпкинс понял, что произошло. Один из находившихся на внутренней оболочке электронов был вырван из атома каким-то чужим электроном, неожиданно проникшим извне в оболочку с высокой скоростью, и в К-оболочке образовалось уютное свободное местечко. Ругая себя за упущенную возможность присоединиться к электронам внутренней оболочки, мистер Томпкинс с огромным интересом наблюдал за полетом электрона, с которым только что беседовал. Счастливый электрон все глубже и глубже внедрялся внутрь атома, и яркие лучи света сопровождали его триумфальный полет. Лишь когда электрон достиг внутренней оболочки, это почти нестерпимое сияние прекратилось. - Что это было? - спросил мистер Томпкинс, ослепленный неожиданно открывшимся ему зрелищем нового, неизвестного ранее явления. - Откуда весь этот блеск? - О, это всего лишь испускание гамма-излучения, связанное с переходом с одной орбиты на другую, - пояснил партнер по орбите, улыбаясь при виде растерянности мистера Томпкинса. - Всякий раз, когда один из нас проникает глубже внутрь атома, лишняя энергия непременно испускается в виде излучения. Этот счастливчик совершил гигантский прыжок и испустил при этом огромную энергию. Гораздо чаще нам приходится довольствоваться меньшими прыжками на окраине атома, и испускаемое нами излучение называется "видимым светом". По крайней мере так называет его отец Паулини. - Но гамма-излучение, или как там вы его называете, также видимо, - возразил мистер Томпкинс. - Мне кажется, что ваша терминология способна лишь вводить в заблуждение. - Видите ли, мы электроны и чувствительны ко всякого рода излучению. Но отец Паулини рассказывал нам о том, что существуют гигантские существа, или как он их называл, люди, которые могут видеть излучение только в узком интервале энергий, или как любит говорить отец Паулини, интервале длин волн. В одной из своих проповедей отец Паулини упомянул о том, что великий человек по имени, кажется, Рентген открыл гамма-излучение, или рентгеновское излучение, и теперь оно широко используется в чем-то, что люди называют медициной. - Я довольно хорошо осведомлен об этом, - заметил мистер Томпкинс, ощущая гордость при мысли, что и ему есть что поведать другому. - Хотите, я расскажу вам немало интересного об этой самой медицине? - Нет, благодарю вас, - ответил электрон, широко зевая. - Мне как-то все равно. Разве вы не можете быть счастливы, если не будете говорить о медицине? Догоняйте меня! Довольно долго мистер Томпкинс наслаждался приятным ощущением свободы, совершая вместе с другими электронами удивительнейшие перелеты в пространстве, словно искусный акробат, перелетающий с трапеции на трапецию. Внезапно он ощутил, что его волосы поднялись дыбом. Подобное ощущение ему приходилось испытывать и раньше во время грозы в горах. Мистеру Томпкинсу стало ясно, что к их атому приближается какое-то сильное электрическое возмущение, нарушающее гармонию движения электронов и заставляющее электроны существенно отклоняться от их обычных орбит. С точки зрения физика-человека возмущение представляло собой волну ультрафиолетового света, проходившую через то место, где находился атом, но с точки зрения крохотных электронов это была сильнейшая электрическая гроза. - Держитесь покрепче, - прокричал мистеру Томпкинсу один из его компаньонов, - иначе вас оторвут силы фотоэффекта! Но было слишком поздно. Мистера Томпкинса оторвало от партнера и, закрутив, с чудовищной скоростью бросило в пространство. Ощущение было такое, словно его схватили чьи-то сильные пальцы. Бездыханный, он уносился все дальше и дальше в пространство, пролетая сквозь всякого рода различные атомы так быстро, что едва успевал разглядеть отдельные электроны. Внезапно прямо перед ним показался большой атом, и мистер Томпкинс понял, что столкновение неизбежно. - Прошу извинить, но меня зафотоэффектило и я не могу... - вежливо начал мистер Томпкинс, но остаток фразы потонул в оглушительном треске, с которым мистер Томпкинс врезался в один из внешних электронов. Оба участника столкновения кувырком полетели в разные стороны. Однако мистер Томпкинс потерял при столкновении значительную часть своей скорости и теперь мог более детально обследовать свое новое окружение. Громоздившиеся вокруг атомы были гораздо больше тех, которые ему приходилось видеть прежде, и в каждом из атомов мистер Томпкинс насчитал по двадцать девять электронов. Если бы Томпкинс лучше разбирался в физике, то он распознал бы в них атомы меди, но со столь близкого расстояния атомы совсем не походили на медь. Они были расположены вплотную друг к другу и образовывали правильный узор, простиравшийся до самого горизонта. Но более всего мистера Томпкинса удивило то, что эти атомы, по-видимому, не особенно стремились удерживать при себе свою долю электронов, в особенности внешних электронов. Внешние орбиты почти всех атомов были пусты, а толпы кочующих электронов лениво бродили по всему пространству, время от времени останавливаясь, но нигде не задерживаясь подолгу, на окраине то одного, то другого атома. Утомленный головокружительным полетом через пространство мистер Томпкинс попытался сначала немного отдохнуть на стационарной, т. е. не подверженной каким-либо временным изменениям, орбите одного из атомов меди, но вскоре поддался бродяжническим настроениям толпы и присоединился к остальным электронам в их бесцельных блужданиях. - Порядок здесь оставляет желать лучшего, - прокомментировал про себя мистер Томпкинс. - Слишком много электронов шатаются без дела. Я считаю, что отцу Паулини следовало бы навести порядок. - Почему вы думаете, что я должен вмешаться? - раздался знакомый голос монаха, который внезапно материализовался из ничего. - Все эти электроны отнюдь не нарушают моих предписаний и к тому же делают очень полезное дело. Может быть, вам будет небезынтересно узнать, что если бы все атомы стремились удержать при себе свои электроны, как это делают некоторые из них, то не было бы такого явления, как проводимость. У вас в доме не было бы электрического дверного звонка, не говоря уже об электрическом освещении и телефоне. - Вы хотите сказать, что бродячие электроны переносят электричество? - спросил мистер Томпкинс, цепляясь за надежду, что разговор пойдет о более или менее знакомом предмете. - Но что-то я не вижу, чтобы они двигались в каком-то определенном направлении. - Прежде всего, друг мой, - сурово промолвил монах, - не говорите "они", "мы" звучит гораздо лучше. Должно быть, вы забыли, что вы сами также принадлежите к племени электронов и что стоит кому-нибудь нажать кнопку звонка, с которым соединена эта медная проволока, как электрическое напряжение заставит вас вместе с другими электронами проводимости опрометью броситься, чтобы вызвать горничную или выполнить какую-нибудь другую службу. - Но я не хочу делать этого! - твердо заявил мистер Томпкинс не без раздражения в голосе. - И вообще я устал быть электроном и не вижу в этом более ничего привлекательного. Что за жизнь вечно выполнять все эти электронные обязанности! - Не обязательно вечно, - возразил отец Паулини, которому явно не понравилось непослушание со стороны простых электронов. - У вас всегда есть шанс быть уничтоженным и прекратить существование. - Б-б-быть уничтоженным? - повторил мистер Томпкинс, чувствуя, как по спине у него ползут мурашки. - Но я всегда думал, что электроны вечны! - Физики тоже так думали вплоть до недавнего времени, - согласился отец Паулини, явно забавляясь эффектом, произведенным его словами, - но подобная точка зрения оказалась не вполне верной. Электроны могут рождаться и умирать, как люди. Разумеется, электрон не может умереть от старости, она наступает при столкновениях. - Но я пережил столкновение лишь недавно, и, должен вам сказать, претяжелое это было столкновение, - сказал мистер Томпкинс, вновь обретая некоторую уверенность. - Если и такое столкновение не вывело меня из строя, то каким же оно должно быть, чтобы уничтожить меня? - Вопрос не в том, как сильно вы сталкиваетесь, - поправил мистера Томпкинса отец Паулини, - а в том, с кем вы сталкиваетесь. В своем недавнем столкновении вы, вероятно, наскочили на другой отрицательно заряженный электрон, очень похожий на вас. Такие столкновения не таят в себе никакой опасности. Вы, электроны, можете сталкиваться друг с другом сколько угодно, как два барана, это не причинит никому из вас ни малейшего вреда. Но существует другая разновидность электронов - положительные электроны, лишь сравнительно недавно открытые физиками. Эти положительно заряженные электроны, или позитроны, выглядят в точности так же, как вы, с тем лишь отличием, что их электрический заряд положителен, тогда как ваш отрицателен. При виде приближающегося к вам позитрона вы полагаете, что перед вами один из невинных ваших соплеменников и устремляетесь навстречу, чтобы приветствовать его. Но тут вы внезапно ощущаете, что встречный электрон не отталкивает вас слегка, чтобы избежать столкновения, как это сделал бы любой нормальный электрон, а притягивает вас к себе и тогда сделать что-нибудь поздно. - Ужасно! - воскликнул мистер Томпкинс. - И сколько несчастных обычных электронов может поглотить один позитрон? - К счастью, только одного, поскольку уничтожая отрицательно заряженный электрон, позитрон гибнет и сам. Позитроны можно описать как членов клуба самоубийц, ищущих партнеров по взаимоуничтожению. Они не причиняют вреда друг другу, но стоит лишь какому-нибудь отрицательно заряженному электрону встретиться им на пути, как шансов уцелеть у него очень мало. - К счастью, до сих пор мне не попадались эти чудовища, - произнес мистер Томпкинс, на которого слова отца Паулини произвели сильное впечатление. - Надеюсь, они не слишком многочисленны? - Не слишком. По той простой причине, что всегда ищут себе неприятностей и погибают вскоре после рождения. Впрочем, подождите минуточку, я, кажется, смогу показать вам один позитрон, - продолжал отец Паулини после короткой паузы. - Если вы внимательно вглядитесь вон в то ядро, то увидите, как рождается один из позитронов. Атом, на который указывал отец Паулини, претерпевал сильное электромагнитное возмущение из-за упавшего на него извне сильного излучения. Возмущение было гораздо более сильным, чем то, которое выбило мистера Томпкинса из атома хлора, и семейство атомных электронов, окружавших ядро, было рассеяно и унесено прочь, как сухие листья ураганом. - Вглядитесь внимательно в ядро, - сказал отец Паулини, и, сосредоточив все свое внимание, мистер Томпкинс увидел необычное явление, происходившее в глубинах разрушенного атома. Вблизи ядра, в глубине внутренней электронной оболочки, две смутные тени постепенно обретали все более отчетливые очертания, и секундой позже мистер Томпкинс увидел два блестящих, новеньких с иголочки электрона, с огромной скоростью разлетающихся от места своего рождения. - Но я вижу две частицы, а не одну, - сказал мистер Томпкинс, захваченный открывшимся ему зрелищем.
- Совершенно верно, - согласился отец Паулини. - Электроны всегда рождаются парами, иначе рождение электронов противоречило бы закону сохранения электрического заряда. Одна из этих двух частиц, родившихся под действием сильного гамма-излучения на ядро, - обычный электрон с отрицательным зарядом, другая частица - электрон с положительным зарядом, или позитрон-убийца. Теперь он рыщет по пространству в поисках жертвы. - Ну что ж, - задумчиво произнес мистер Томпкинс, - если рождение каждого позитрона, которому на роду написано стать убийцей электрона, сопровождается рождением одного обычного электрона, то дела обстоят не так уж плохо. По крайней мере не приходится опасаться за исчезновение электронного племени, и я... - Осторожно! - прервал мистера Томпкинса отец Паулини, отталкивая своего собеседника в сторону, в то время как новорожденный позитрон со свистом пронесся в каком-нибудь дюйме от них. - Нужно все время быть начеку, когда эти убийственные частицы находятся где-то поблизости. Но, простите, я слишком задержался, беседуя с вами, и меня ждут другие дела. Мне необходимо навестить милых моему сердцу _нейтрино_... И отец Паулини исчез, оставив мистера Томпкинса в неведении относительно того, что такое нейтрино и следует ли их опасаться. Лишившись духовного отца, мистер Томпкинс почувствовал себя еще более одиноким, чем прежде, и всякий раз, когда на его долгом пути через пространство; к нему приближался тот или иной соплеменник-электрон, в сердце мистера Томпкинса начинала теплиться надежда на то, что под невинной внешностью может скрываться сердце убийцы. Время тянулось нестерпимо медленно (мистеру Томпкинсу казалось, что прошло несколько столетий), а его надеждам и чаяниям все никак не суждено было сбыться, и мистеру Томпкинсу не оставалось ничего другого, как исполнять скучные обязанности электрона проводимости. Все произошло совершенно неожиданно, когда мистер Томпкинс менее всего рассчитывал встретить позитрон. Ощущая острую потребность побеседовать с кем-нибудь, даже с каким-нибудь глупым электроном проводимости, он приблизился к частице, медленно пролетавшей мимо и явно бывшей новичком в данной части медной проволоки. Но даже на расстоянии мистер Томпкинс понял, что ошибся в выборе собеседника и что неодолимая сила притяжения увлекает его, не давая отступить ни на шаг. Какой-то миг он пытался бороться и вырываться, но расстояние между ним и другой частицей все сокращалось, и мистеру Томпкинсу показалось, что он уже видит торжествующую улыбку на лице своего противника. - Пустите меня! Пустите меня немедленно! - закричал мистер Томпкинс во весь голос, изо всех сил отбиваясь руками и ногами. - Я не хочу аннигилировать! Я хочу вечно проводить электрический ток! Но все было тщетно, и окружающее пространство внезапно озарилось ослепительной вспышкой сильнейшего излучения. - Итак, меня больше нет, - подумал мистер Томпкинс, - но как же в таком случае я могу мыслить? Может быть аннигилировало только мое тело, а душа моя улетела на квантовые небеса? Тут он ощутил новую силу, на этот раз действовавшую мягче, которая твердо и решительно трясла его. Открыв глаза, мистер Томпкинс увидел перед собой университетского служителя. - Простите, сэр, - сказал тот, - но лекция уже давно закончилась и нам нужно закрыть аудиторию. Мистер Томпкинс с трудом подавлял зевоту и чувствовал себя весьма неловко. - Спокойной ночи, сэр, - пожелал ему служитель с сочувственной улыбкой. Глава 10 1/2 Часть предыдущей лекции, которую проспал мистер Томпкинс В 1908 г. английский физик Джон Дальтон открыл закон кратных отношений. Он показал, что относительные пропорции различных химических элементов, необходимых для образования более сложных химических веществ, всегда могут быть выражены как отношения целых чисел и объяснил свой закон тем, что все сложные химические вещества состоят из различного числа частиц, соответствующих простым химическим элементам. Безуспешные попытки средневековой алхимии превратить один химический элемент в другой служат еще одним доказательством кажущейся неделимости мельчайших частиц вещества, которые без особых колебаний были названы своим древнегреческим именем - атомы. Данное единожды, это название закрепилось, и хотя теперь твердо установлено, что атомы Дальтона отнюдь не неделимы и в действительности состоят из большого числа более мелких, субатомных частиц, обычно мы предпочитаем закрывать глаза на филологическую непоследовательность этого названия. Итак, то, что в современной физике принято называть атомами, отнюдь не является элементарными и неделимыми составными частями материи, о которых говорил в своих умозрительных построениях Демокрит, и термин "атом" был бы более обоснован применительно к более мелким субатомным частицам, таким как электроны и протоны, из которых состоят атомы Дальтона. Но такое изменение терминологии породило бы слишком большую путаницу, и ни один физик не заботится особенно о филологической непоследовательности существующей ныне терминологии. Поэтому мы употребляем старое название "атомы" в том же смысле, в каком его употреблял Дальтон, а электроны, протоны и другие субатомные единицы материи называем _элементарными частицами_. Это название свидетельствует о том, что в настоящее время мы считаем эти субатомные частицы действительно элементарными и неделимыми в смысле Демокрита, и вы, естественно, можете спросить у меня, не повторится ли история и не выяснится ли в ходе дальнейшего развития современной физики, что так называемые элементарные частицы в действительности обладают весьма сложной внутренней структурой. Мой ответ состоит в том, что хотя нет абсолютной гарантии, что ничего такого не произойдет, имеются достаточно веские основания полагать, что на этот раз мы не ошиблись. Действительно, существуют девяносто две разновидности атомов (соответствующие девяносто двум различным химическим элементам), и каждый такой атом обладает весьма сложными характерными свойствами. В подобной ситуации само собой напрашивается упрощение - стремление свести сложную картину к более простой. С другой стороны, в современной физике известны лишь несколько различных типов элементарных частиц: _электроны_ (отрицательно и положительно заряженные легкие частицы), _нуклоны_ (заряженные или нейтральные тяжелые частицы, известные под названием _протонов_ и _нейтронов_) и, возможно, так называемые _нейтрино_, природа которых полностью не выяснена. Свойства этих элементарных частиц чрезвычайно просты, и дальнейшее деление материи не приведет к сколько-нибудь существенному упрощению. Кроме того, как вы понимаете, всегда необходимо иметь несколько элементарных понятий, с которыми можно было бы играть, если вы хотите построить нечто более сложное. Два или три таких элементарных понятия - отнюдь не много. Я считаю, что вы можете спокойно поставить последний доллар, держа пари, что элементарные частицы современной физики останутся достойными своего названия. Но вернемся к вопросу о том, каким образом атомы Дальтона построены из элементарных частиц. Первый правильный ответ на этот вопрос был дан в 1911 г. знаменитым британским физиком Эрнестом Резерфордом (впоследствии Резерфорд лорд Нельсон). Резерфорд исследовал строение атома, бомбардируя различные атомы быстро движущимися крохотными снарядами, известными под названием _альфа-частицы_, испускаемыми при распаде радиоактивных элементов. Наблюдая за отклонениями (рассеянием) снарядов после прохождения кусочка материи (листочка фольги), Резерфорд пришел к выводу, что все атомы должны обладать очень плотной положительно заряженной сердцевиной (атомным ядром), окруженной гораздо более разреженным отрицательно заряженным облаком (атомной атмосферой). Ныне мы знаем, что атомное ядро состоит из определенного числа протонов и нейтронов, известных под собирательным названием нуклонов. Нуклоны тесно связаны между собой сильными силами сцепления. Атомная атмосфера состоит из различного числа отрицательно заряженных электронов, которые роем окружают атомное ядро под действием электростатического притяжения его положительного заряда. Число электронов, образующих атомную атмосферу, определяет все физические и химические свойства атома и изменяется вдоль естественной последовательности химических элементов от одного электрона (для водорода) до девяносто двух электронов (для самого тяжелого из известных элементов урана). Несмотря на кажущуюся простоту атомной модели Резерфорда, ее детальный анализ оказался далеко не простым. Действительно, согласно одному из наиболее глубоко укоренившихся представлений классической физики, отрицательно заряженные электроны, обращаясь вокруг атомного ядра, должны терять свою энергию в виде испускаемого ими излучения (света). Как показывают вычисления, из-за постоянных потерь энергии все электроны, образующие атомную атмосферу, должны были бы за ничтожно малую долю секунды упасть на ядро. Это, казалось бы, вполне здравое рассуждение классической теории находится в резком противоречии с тем эмпирическим фактом, что атомные атмосферы очень стабильны и атомные электроны не падают на ядро, а бесконечно долго кружатся роем вокруг центрального тела. Таким образом, между основными представлениями классической механики и эмпирическими данными относительно механического поведения крохотных составных частей мира атомов возникает глубокое противоречие. Размышления над этим противоречием привели известного датского физика Нильса Бора к заключению, что классическая механика, на протяжении столетий претендовавшая на особое незыблемое положение в системе естественных наук, должна отныне рассматриваться как ограниченная теория, применимая к макроскопическому миру повседневного опыта, но утрачивающая силу при попытке применить ее к гораздо более тонким типам движения происходящего внутри различных атомов. В качестве пробного фундамента новой обобщенной механики, применимой и к движению крохотных подвижных частей атомного механизма, Бор предложил гипотезу о том, что _из всего бесконечного разнообразия типов движения, рассматриваемых в классической механике, в природе реализуется только несколько специально выбранных типов_. Эти разрешенные типы движения (называемые также разрешенными траекториями, или орбитами) отбираются в соответствии с определенными математическими условиями, известными под названием _условий квантования_ в теории Бора. Я не стану входить здесь в подробное обсуждение этих условий квантования, но хочу лишь упомянуть об одном обстоятельстве: все эти условия выбраны таким образом, что налагаемые ими ограничения не имеют практического значения в тех случаях, когда масса движущейся частицы во много раз больше масс, с которыми мы встречаемся в структуре атома. Следовательно, применительно к макроскопическим телам новая _микромеханика_ приводит к тем же результатам, что и старая классическая теория (_принцип соответствия_) и только при переходе к микроскопическим атомным механизмам разногласия между старой и новой теориями становятся существенными. Не вдаваясь в детали, я хочу удовлетворить ваше любопытство и продемонстрировать строение атома с точки зрения теории Бора, а именно схему расположения квантовых орбит в атоме по Бору (первый слайд, пожалуйста!). Вы видите (см. рис. на с. 163), разумеется, в сильно увеличенном масштабе, систему круговых и эллиптических орбит. Они представляют единственно "разрешенные" условиями квантования Бора типы движений для электронов, образующих атомную атмосферу. В то время как классическая механика разрешает электрону двигаться _на любом_ расстоянии от ядра и не накладывает ограничений на эксцентриситет (т. е. на удлинение, или вытянутость) орбиты, разрешенные орбиты в теории Бора образуют дискретное множество с вполне определенными характерными размерами. Числа и латинские буквы, стоящие у каждой орбиты, указывают название соответствующей орбиты в общей классификации. Вы можете, например, заметить, что большие числа соответствуют орбитам с большими диаметрами.
Хотя предложенная Бором теория строения атома оказалась необычайно плодотворной для объяснения различных свойств атомов и молекул, основное понятие - дискретная квантовая орбита - оставалось весьма неясным, и чем глубже физики пытались вникнуть в анализ столь необычного ограничения классической теории, тем более неясной становилась общая картина. Наконец, физики осознали, в чем именно заключается слабая сторона теории Бора: вместо основательной _перестройки_ классической механики теория Бора просто наложила _ограничения_ на ее результаты, введя дополнительные условия, в принципе чуждые всей структуре классической теории. Правильное решение всей проблемы было получено лишь тринадцать лет спустя в виде так называемой _волновой механики_, изменившей самые основы классической механики в соответствии с новым квантовым принципом. Несмотря на то, что на первый взгляд система волновой механики может показаться еще более "сумасшедшей", чем теория Бора, эта новая микромеханика представляет собой одну из наиболее последовательных и признанных частей современной теоретической физики. Поскольку фундаментальный принцип новой механики и, в частности, понятия "неопределенность" и "расплывание траекторий" были рассмотрены мной в одной из предыдущих лекций, я обращаюсь теперь к вашей памяти или к вашим конспектам и хотел бы вернуться к проблеме строения атома. На схеме, которую вы сейчас увидите (следующий слайд, пожалуйста!) (см. рис. внизу), изображено движение атомных электронов, рассматриваемое с позиций волновой механики, или с точки зрения "расплывания орбит". Вы видите здесь те же самые типы движения, которые в рамках классической теории были представлены на предыдущем слайде (единственное различие состоит лишь в том, что по чисто техническим причинам каждый тип движения теперь изображен отдельно), но вместо четких линий, изображающих траектории в теории Бора, теперь перед нами расплывчатые пятна в полном согласии с фундаментальным _принципом неопределенности_. Различные состояния движения имеют такие же обозначения, как на предыдущем слайде, и сравнивая оба слайда, вы заметите, если слегка напряжете воображение, что расплывчатые облака на втором слайде очень точно передают общие характерные особенности старых орбит Бора.
Оба слайда отчетливо показывают, что происходит с добрыми старомодными траекториями классической механики, когда в игру вступает квант, и хотя человеку непосвященному все это может показаться фантастическим сном, ученые, работающие в микрокосмосе атомов, не испытывают особых трудностей в восприятии такой картины. Завершив на этом краткий обзор возможных состояний движения в электронной атмосфере атома, мы обращаемся теперь к важной проблеме, касающейся распределения различных атомных электронов по различным допустимым состояниям движения. Здесь мы сталкиваемся с новым принципом, совершенно незнакомым в макроскопическом мире. Этот принцип впервые был сформулирован моим молодым другом Вольфгангом Паули. Он утверждает, что _в сообществе электронов данного атома никакие два электрона не обладают движением одного и того же типа_. Это ограничение не имело бы особого значения, если бы число возможных движений было бесконечно велико, как в классической механике. Но поскольку правила квантования существенно уменьшают число "разрешенных" состояний движения, принцип Паули играет очень важную роль в атомном мире: он обеспечивает более или менее равномерное распределение электронов вокруг атомного ядра и мешает электронам скапливаться в каком-то одном месте. Но из приведенной выше формулировки нового принципа не следует делать вывода о том, что расплывчатые квантовые состояния движения, изображенные на втором слайде, могут быть "заняты" только одним электроном. Действительно, помимо движения по орбите каждый электрон обладает _спином_, т.е. вращается вокруг собственной оси, и доктора Паули отнюдь не разочарует, если два электрона окажутся на одной орбите, если их спины будут направлены в противоположные стороны. Исследование спина электронов показывает, что скорость вращения электронов вокруг собственной оси всегда одна и та же и что направление спина всегда должно быть перпендикулярно плоскости орбит. Это означает, что возможны только два различных направления спина, которые соответственно можно считать происходящими "по часовой стрелке" и "против часовой стрелки". Таким образом, применительно к квантовым состояниям принцип Паули может быть сформулирован следующим образом: _в каждом квантовом состоянии движения могут находиться не более двух электронов, спины которых должны быть направлены в противоположные стороны_. Проходя всю естественную последовательность элементов к атомам со все большим и большим числом электронов, мы обнаружим, что различные квантовые состояния движения постепенно заполняются электронами и диаметр атома монотонно возрастает. В этой связи нельзя не упомянуть о том, что с точки зрения силы связи различные квантовые состояния атомных электронов могут быть объединены в отдельные группы (или оболочки) с приблизительно равной силой связи. По мере продвижения вдоль естественной последовательности элементов, мы видим, что одна группа заполняется за другой и в результате последовательного заполнения электронных оболочек свойства атомов периодически изменяются. Это объясняет хорошо известную периодичность свойств элементов, открытую эмпирически знаменитым русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Глава 12 Внутри ядра Следующая лекция, которую посетил мистер Томпкинс, была посвящена внутреннему строению ядра как центра, вокруг которого вращаются атомные электроны. - Леди и джентльмены, - начал профессор. - Все более углубляясь в строение материи, мы попытаемся теперь проникнуть нашим мысленным взором внутрь ядра, в загадочную область, занимающую лишь одну тысячную от миллиардной доли общего объема атома. И все же, несмотря на столь невероятно малые размеры новой области наших иссследований, мы обнаружили в ней самую оживленную деятельность. Ведь атомное ядро - сердце атома, и именно в нем, несмотря на сравнительно малые размеры, сосредоточено 99,97% всей массы атома. Вступая в область атомного ядра после сравнительно бедно населенной электронной атмосферы атома, мы сразу же будем поражены ее необычной перенаселенностью. Если электроны атомной атмосферы движутся в среднем на расстояниях, превышающих их собственный диаметр примерно в несколько тысяч раз, то частицы, живущие внутри ядра, буквально теснились бы плечом к плечу, будь у них плечи. В этом смысле картина, которая открывается нам внутри ядра, очень напоминает картину обыкновенной жидкости с тем лишь различием, что внутри ядра мы вместо молекул встречаем гораздо более мелкие и гораздо более элементарные частицы, известные под названием _протоны_ и _нейтроны_. Уместно заметить, что, несмотря на различные имена, протоны и нейтроны можно рассматривать просто как два различных зарядовых состояния одной и той же тяжелой элементарной частицы, известной под названием нуклон. Протон представляет собой положительно заряженный нуклон, нейтрон - электрически нейтральный нуклон. Не исключена возможность, что существуют также отрицательно заряженные нуклоны, хотя их пока никто не наблюдал. Что касается их геометрических размеров, нуклоны не слишком отличаются от электронов: диаметр нуклона составляет около 0,000 000 000 0001 см. Однако нуклоны гораздо тяжелее: на чашках весов протон или нейтрон можно уравновесить 1840 электронами. Как я уже говорил, частицы, образующие атомное ядро, упакованы очень плотно и это объясняется действием особых _ядерных сил сцепления_, аналогичных силам, действующим между молекулами в жидкости. Так же как в жидкости силы ядерного сцепления не дают нуклонам полностью отделиться друг от друга, но не мешают относительным перемещениям нуклонов. Таким образом, ядерная материя в какой-то степени обладает текучестью и, не будучи возмущаема внешними силами, принимает форму сферической капли, как обычная капля жидкости. На схеме, которую я вам сейчас покажу, условно изображены различные типы атомных ядер, образованных из протонов и нейтронов. Простейшее ядро водорода состоит всего лишь из одного протона, в то время как самое сложное ядро урана состоит из 92 протонов и 142 нейтронов. Разумеется, разглядывая эти картинки, не следует упускать из виду, что перед вами лишь весьма условные изображения реальных ядер, поскольку в силу фундаментального принципа неопределенности квантовой теории положение каждого нуклона в действительности "размазано" по всему объему ядра. Как я уже упоминал, частицы, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами сцепления, но помимо этих сил притяжения существуют также силы другого рода, действующие в противоположном направлении. Действительно, протоны, на долю которых приходится примерно половина нуклонного населения, несут положительный заряд. Следовательно, между ними действуют силы отталкивания - так называемые кулоновские силы. Для легких ядер, электрический заряд которых сравнительно мал, это кулоновское отталкивание не имеет особого значения, но в более тяжелых ядрах с б_о_льшим электрическим зарядом кулоновские силы начинают составлять серьезную конкуренцию силам ядерного сцепления. Как только это произойдет, ядро утрачивает стабильность и может испустить какие-нибудь из составляющих его частиц. Именно так ведут себя некоторые элементы, расположенные в самом конце Периодической системы и известные под названием _радиоактивные элементы_.
Из приведенных выше общих соображений вы можете заключить, что такие тяжелые нестабильные ядра должны испускать протоны, так как нейтроны не несут никакого электрического заряда, и поэтому на них не действуют силы кулоновского отталкивания. Однако, как показывают эксперименты, некоторые радиоактивные ядра испускают так называемые _альфа-частицы_ (ядра гелия), т. е. сложные образования, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Объясняется это особой группировкой частиц, образующих атомное ядро. Дело в том, что комбинация двух протонов и двух нейтронов, образующая альфу-частицу, отличается повышенной стабильностью, и поэтому легче оторвать такую группу целиком, чем разделить ее на отдельные протоны и нейтроны. Как вы, вероятно, знаете, явление радиоактивного распада было впервые открыто французским физиком Анри Беккерелем, а знаменитый британский физик лорд Резерфорд, чье имя я уже упоминал в другой связи, которому наука столь многим обязана за его важные открытия в физике атомного ядра, предложил объяснение радиоактивного распада как спонтанного, т. е. самопроизвольного, распада атомного ядра на части. Одна из наиболее замечательных особенностей альфа-распада состоит в иногда необычайно долгих периодах времени, необходимых альфа-частицам, чтобы "выбраться" из атомного ядра на свободу. Для _урана_ и _тория_ этот период составляет, по оценкам, миллиарды лет, для радия - около шестнадцати столетий, и хотя существуют элементы, для которых альфа-распад происходит в доли секунды, продолжительность их жизни можно также считать очень долгой по сравнению с быстротой их внутриядерного движения. Что же заставляет альфа-частицу оставаться внутри ядра на протяжении иногда многих миллиардов лет? И если альфа-частица так долго находится внутри ядра, то что заставляет ее все же покинуть его? Для ответа на эти вопросы нам необходимо предварительно узнать немного больше о сравнительной интенсивности сил внутриядерного сцепления и электростатических сил отталкивания, действующих на частицу, которая покидает атомное ядро. Тщательное экспериментальное изучение этих сил было проведено Резерфордом, который воспользовался методом так называемой _атомной бомбардировки_. В своих знаменитых экспериментах, выполненных в Кавендишской лаборатории, Резерфорд направлял пучок быстро движущихся альфа-частиц, испускаемых каким-нибудь радиоактивным веществом, на мишень и наблюдал отклонения (рассеяние) этих атомных снарядов при столкновении их с ядрами бомбардируемого вещества. Эксперименты Резерфорда убедительно показали, что на больших расстояниях от атомного ядра альфа-частицы испытывали сильное отталкивание электрическими силами заряда ядра, но отталкивание сменялось сильным притяжением в тех случаях, когда альфа-частицы пролетали вплотную от внешних границ ядерной области. Вы можете сказать, что атомное ядро в какой-то мере аналогично крепости, окруженной со всех сторон высокими крутыми стенами, не позволяющими частицам ни попасть внутрь, ни бежать наружу. Но самый поразительный результат экспериментов Резерфорда состоял в установлении следующего факта: _альфа-частицы, вылетающие из ядра при радиоактивном распаде или проникающие внутрь ядра при бомбардировке извне, обладают меньшей энергией, чем требовалось бы для преодоления высоты стен крепости, или потенциального барьера_, как мы обычно говорим. Это открытие Резерфорда полностью противоречило всем фундаментальным представлениям классической механики. В самом деле, как можно ожидать, что мяч перекатится через вершину холма, если вы бросили его с энергией, недостаточной для подъема на вершину холма? Классическая физика могла лишь широко раскрыть глаза от удивления и высказать предположение о том, что в эксперименты Резерфорда где-то вкралась какая-то ошибка. Но в действительности никакой ошибки не было, и если кто-нибудь и ошибался, то не лорд Резерфорд, а... классическая механика! Ситуацию прояснили одновременно мой добрый друг доктор Гамов и доктора Рональд Герней и Э. У. Лондон. Они обратили внимание на то, что никаких трудностей не возникает, если подойти к проблеме с точки зрения современной квантовой теории. Действительно, как мы знаем, современная квантовая физика отвергает четко определенные траектории-линии классической теории и заменяет их расплывчатыми призрачными следами. Подобно тому, как доброе старомодное привидение могло без труда проходить сквозь толстые каменные стены старинного замка, так призрачные траектории могут проникать сквозь потенциальные барьеры, которые с классической точки зрения казались совершенно непроницаемыми. Не думайте, пожалуйста, будто я шучу: проницаемость потенциальных барьеров для частиц с недостаточной энергией является прямым математическим следствием из фундаментальных уравнений новой квантовой механики и служит весьма убедительной иллюстрацией одного из наиболее существенных различий между старыми и новыми представлениями о движении. Но хотя новая механика допускает столь необычные эффекты, она делает это только при весьма сильных ограничениях: в большинстве случаев вероятность пересечения барьера чрезвычайно мала, и попавшей в темницу ядра частице придется невероятно большое число раз бросаться на стены, прежде чем ее попытки выбраться на свободу увенчаются успехом. Квантовая теория дает нам точные правила для вычисления вероятности такого побега. Было показано, что наблюдаемые периоды альфа-распада находятся в полном соответствии с предсказаниями теории. В случае альфа-частиц, бомбардирующих атомное ядро извне, результаты квантово-механических расчетов находятся в великолепном соответствии с экспериментом. Прежде чем я продолжу свою лекцию, мне хотелось бы показать вам некоторые фотографии процессов распада различных ядер, бомбардируемых атомными снарядами высокой энергии (первый слайд, пожалуйста!). На этом слайде (см. рис. на с. 174) вы видите два различных распада, сфотографированных в пузырьковой камере, о которой я говорил в своей предыдущей лекции. На снимке (А) вы видите столкновение ядра азота с быстрой альфа-частицей. Это первый из когда-либо сделанных снимков искусственной трансмутации (превращения) элементов. Этим снимком мы обязаны ученику лорда Резерфорда Патрику Блэккету. Отчетливо видно большое число треков альфа-частиц, испускаемых мощным источником альфа-частиц. Большинство альфа-частиц пролетают все поле зрения, не претерпевая ни одного серьезного столкновения. Трек альфа-частиц останавливается вот здесь, и вы видите, как из точки столкновения выходят два других трека. Длинный тонкий трек принадлежит протону, выбитому из ядра азота, в то время как короткий толстый трек соответствует отдаче самого ядра. Но это более уже не ядро азота, поскольку, потеряв протон и поглотив налетевшую альфа-частицу, ядро азота превратилось в ядро кислорода. Таким образом, мы становимся свидетелями алхимического превращения азота в кислород с водородом в качестве побочного продукта. На снимках (Б), (В) вы видите распад ядра при столкновении с искусственно ускоренным протоном. Пучок быстрых протонов создается специальной машиной, работающей под высоким напряжением и известной публике под названием "атомная дробилка", и поступает в камеру через длинную трубку, конец которой виден на снимках. Мишень, в данном случае тонкий слой бора, помещается у открытого конца трубки с таким расчетом, чтобы осколки ядра, возникшие при столкновении, должны были пролетать сквозь воздух в камере, образуя туманные треки. Как вы видите на снимке (В), ядро бора при столкновении с протоном, распадается на три части, и, с учетом сохранения электрического заряда, мы приходим к заключению, что каждый из осколков деления представляет собой альфа-частицу, т. е. ядро гелия. Эти два ядерных превращения представляют весьма типичные примеры нескольких сотен других ядерных превращений, исследованных современной экспериментальной физикой. Во всех превращениях такого рода, известных под названием _ядерные реакции замещения_, налетающая частица (протон, нейтрон или альфа-частица) проникает в ядро, выбивает какую-то другую частицу и остается на ее месте. Существует замещение протона альфа-частицей, альфа-частицы протоном, протона нейтроном и т.д. Во всех таких превращениях новый элемент, образовавшийся в результате реакции, является близким соседом бомбардируемого элемента в Периодической системе. Но лишь сравнительно недавно, перед второй мировой войной, два немецких химика О. Ган и Ф. Штрассман открыли совершенно новый тип ядерного превращения, в котором _тяжелое ядро распадается на две равные половины с высвобождением огромного количества энергии_. На следующем слайде (следующий слайд, пожалуйста!) вы видите (см. с. 175) на снимке (Б) два осколка ядра урана, разлетающихся в разные стороны от тонкой урановой проволочки. Это явление, получившее название _расщепление ядра_, впервые наблюдалось при бомбардировке урана пучком нейтронов, но вскоре физики обнаружили, что и другие элементы, расположенные в конце Периодической системы, обладают аналогичными свойствами. Эти тяжелые ядра уже находятся у порога своей стабильности и малейшее возмущение, вызываемое столкновением с нейтроном, достаточно, чтобы они распались на два осколка, как распадается на части чрезмерно крупная капля ртути. Нестабильность тяжелых ядер проливает свет на вопрос о том, почему в природе существует только 92 элемента. Любое ядро тяжелее урана не может существовать сколько-нибудь продолжительное время и немедленно распадается на более мелкие осколки. Явление расщепления ядра представляет немалый интерес и с практической точки зрения, так как открывает определенные возможности для использования ядерной энергии. Дело в том, что при распаде ядра на две половинки из ядра вылетает несколько нейтронов, которые могут вызвать расщепление соседних ядер. Дальнейшее распространение такого процесса может привести к взрывной реакции, при которой вся энергия, запасенная в ядрах, высвобождается за малую долю секунды. Если вспомнить, что ядерная энергия, хранящаяся в одном фунте урана, эквивалентна энергетическому содержанию десяти тонн угля, то станет ясно, что возможность высвобождения ядерной энергии могла бы вызвать глубокие перемены в нашей экономике.
Однако все эти ядерные реакции могут быть осуществлены лишь в очень малом масштабе, и, хотя они позволяют нам получить богатейшую информацию о внутреннем строении ядра, вплоть до сравнительно недавнего времени не было ни малейшей надежды на то, что удастся высвободить огромное количество ядерной энергии. И лишь в 1939 г. немецкие химики О. Ган и Ф. Штрассман открыли совершенно новый тип ядерного превращения: тяжелое ядро урана при столкновении с одним-единственным нейтроном распадается на две примерно равные части с высвобождением огромного количества энергии и вылетом двух или трех нейтронов, которые в свою очередь могут столкнуться с ядрами урана и расщепить каждое из них на две части с высвобождением новой энергии и новых нейтронов. Цепной процесс, деления ядер урана может приводить к взрывам или, если сделать его управляемым, стать почти неисчерпаемым источником энергии. Счастлив сообщить вам, что доктор Таллеркин, принимавший участие в работах по созданию атомной бомбы и известный также как отец водородной бомбы, любезно согласился прибыть к нам, несмотря на свою чрезвычайную занятость, и выступить с коротким сообщением о принципах устройства ядерных бомб. Мы ожидаем его прибытия с минуты на минуту. Едва профессор успел произнести эти слова, как дверь отворилась и в аудиторию вошел человек весьма внушительного вида с горящими глазами и нависшими кустистыми бровями. Обменявшись с профессором рукопожатиями, человек обратился к аудитории: - Hoolgyeim es Uraim, - начал он. - Roviden kell beszelnem, mert nagyon sok a dolglom. Ma reggel tubb megbeszelesem volt a Pentagonban es a Feher Hazban. Delutan... О, прошу прощения! - воскликнул незнакомец. - Иногда я путаю языки. Позвольте мне начать еще раз. Леди и джентльмены! Я буду краток, поскольку очень занят. Сегодня утром я присутствовал на нескольких совещаниях в Пентагоне и в Белом доме, а днем мне необходимо быть в Френч Флэте, штат Невада, где предстоит провести подземный взрыв. Вечером я должен произнести речь на банкете, который состоится на базе ВВС США Ванденберг в Калифорнии. Теперь о главном. Дело в том, что в атомных ядрах поддерживается равновесие между силами двоякого рода - ядерными силами притяжения, которые стремятся удержать ядро в целости, и электрическими силами отталкивания между протонами. В тяжелых ядрах, таких как ядра урана или плутония, силы отталкивания преобладают, и ядра при малейшем возмущении готовы распасться на два осколка - продукты деления. Таким возмущением может быть один-единственный нейтрон, сталкивающийся с ядром. Обернувшись к доске, гость продолжал: - Вот делящееся ядро, а вот сталкивающийся с ним нейтрон. Два осколка деления разлетаются в стороны, и каждый из них уносит около одного миллиона электрон-вольт энергии. Кроме того, распадаясь, ядро выстрелило несколькими новыми нейтронами деления (обычно их бывает два в случае легкого изотопа урана и три в случае плутония). Реакция - бац, бац! - продолжается, как я изобразил здесь на доске. Если кусок делящегося материала мал, то б_о_льшая часть нейтронов деления вырывается из его поверхности прежде, чем они имеют шанс столкнуться с другим делящимся ядром, и цепная реакция так и не начинается. Но если кусок делящегося материала имеет достаточно большие размеры (мы называем такой кусок критической массой), дюйма три-четыре в диаметре, то большинство нейтронов оказываются захваченными, и вся эта штука взрывается. Такое устройство мы называем бомбой деления (в печати ее довольно часто неправильно называют атомной бомбой).
Гораздо лучших результатов можно достичь, если обратиться к другому концу Периодической системы элементов, где ядерные силы превосходят электрическое отталкивание. Когда два легких ядра приходят в соприкосновение, они сливаются, как две капельки ртути на блюдечке. Такое слияние может произойти только при очень высокой температуре, так как электрическое отталкивание - мешает легким ядрам сблизиться и прийти в соприкосновение. Но когда температура достигает десятков миллионов градусов, электрическое отталкивание уже не в силах помешать сближению атомов и процесс слияния, или термоядерного синтеза, начинается. Наиболее подходящими ядрами для термоядерного синтеза являются дейтроны, т. е. ядра атомов тяжелого водорода. Справа на доске я изобразил простую схему термоядерной реакции в дейтерии. Когда мы впервые придумали водородную бомбу, нам казалось, что она станет благословением для всего мира, так как при ее взрыве не образуются радиоактивные продукты деления, которые потом разносятся по всей земной атмосфере. Но нам не удалось создать "чистую" водородную бомбу, потому что дейтерий, лучшее ядерное топливо, которое легко извлекается из морской воды, недостаточно хорошо горит сам по себе. Нам пришлось окружить дейтериевую сердцевину урановой оболочкой. Такие оболочки порождают множество осколков деления, и люди прозвали нашу конструкцию "грязной" водородной бомбой. Аналогичные трудности возникли и при проектировании управляемой термоядерной реакции с дейтерием и, несмотря на все усилия, нам так и не удалось осуществить ее. Но я уверен, что рано или поздно проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена. - Доктор Таллеркин, - спросил кто-то из аудитории, - могут ли осколки деления ядер при испытаниях грязной водородной бомбы вызвать опасные для здоровья человека мутации у населения всего земного шара? - Не все мутации вредны, - улыбнулся доктор Таллеркин. - Некоторые мутации способствуют улучшению наследственности. Если бы в живых организмах не происходили мутации, то и вы, и я все еще были бы амебами. Разве вы не знаете, что эволюция жизни на Земле происходит исключительно благодаря мутациям и выживанию наиболее приспособленных мутантов? - Уж не хотите ли вы сказать, - истерически закричала какая-то женщина в аудитории, - что мы должны рожать детей дюжинами и, отобрав наилучших, умервщлять остальных? - Видите ли... - начал доктор Таллеркин, но в этот момент дверь отворилась и в аудиторию вошел человек в летной форме. - Поторапливайтесь, сэр! - скороговоркой доложил он. - Ваш вертолет припаркован у входа и, если мы не вылетим сейчас же, вы не сможете вовремя прибыть в аэропорт, где вас ожидает специальный реактивный самолет! - Прошу меня извинить, - обратился доктор Таллеркин к аудитории, - но мне пора идти. Isten veluk! И они оба, доктор Таллеркин и пилот, поспешили из аудитории. Глава 13 Резчик по дереву
Дверь была большая и массивная. Посредине на ней красовалась надпись, сделанная крупными буквами: "Осторожно! Высокое напряжение!". Но первое впечатление негостеприимства несколько смягчалось крупной надписью "Добро пожаловать!" на коврике у двери, и после минутного колебания мистер Томпкинс нажал на кнопку дверного звонка. Дверь открыл молодой ассистент, и мистер Томпкинс оказался в огромном помещении, добрую половину которого занимала замысловатая машина самого фантастического вида. - Это наш циклотрон, или "атомная дробилка", как его называют в газетах, - пояснил ассистент, любовно поглаживая витки одной из катушек гигантского электромагнита, составляющего основную часть весьма внушительно выглядевшего орудия современной физики. - Он позволяет получать частицы с энергией до десяти миллионов электрон-вольт, - с гордостью продолжал ассистент, - и немного найдется ядер, которые способны выдержать столкновение с частицей, движущейся с такой невообразимой энергией! - Потрясающе интересно! - отозвался мистер Томпкинс. - Эти ядра, должно быть, очень прочны! Трудно поверить, что этакая махина была построена только для того, чтобы раскололось крохотное ядро крохотного атома. А как работает эта машина? - Вы были когда-нибудь в цирке? - спросил мистера Томпкинса его тесть, внезапно возникая откуда-то из-за гигантского циклотрона. - Разумеется, был, - ответил мистер Томпкинс, несколько удивленный неожиданным вопросом. - Вы хотите предложить мне пойти с вами сегодня в цирк на вечернее представление? - Не совсем, - улыбнулся профессор. - Просто, если вам случалось бывать в цирке, это поможет вам понять, как работает циклотрон. Взгляните между полюсов этого огромного магнита и вы увидите круглый медный кожух. Он служит кольцом, в котором ускоряются различные заряженные частицы, используемые в экспериментах по бомбардировке ядер. В центре кожуха расположен источник, испускающий все эти заряженные частицы, или ионы. Вылетая из источника, ионы движутся с очень маленькими скоростями, и сильное поле, создаваемое магнитом, изгибает их траектории в небольшие окружности вокруг центра. Затем мы начинаем погонять частицы и разгоняем их до все больших и больших скоростей. - Я понимаю, как погонять лошадь, - заметил мистер Томпкинс, - но как вам удается погонять крохотные заряженные частицы, выше моего разумения. - А между тем это очень просто. Если частица движется по кругу, то все, что необходимо делать, это сообщать ей ряд последовательных электрических толчков всякий раз, когда частица будет проходить через определенную точку своей траектории, подобно тому, как в цирке тренер хлыстом подгоняет лошадь всякий раз, когда та, описывая по арене круг за кругом, пробегает мимо него.
- Но тренер видит лошадь, - возразил мистер Томпкинс. - А разве вы видите частицу, описывающую круг за кругом в той медной коробке, чтобы подтолкнуть ее в нужный момент? - Разумеется, не вижу, - согласился профессор, - но это и необязательно. Вся хитрость устройства циклотрона состоит в том, что, хотя ускоряемая частица движется все быстрее и быстрее, она всегда совершает полный оборот за одно и то же время. Дело в том, что по мере увеличения скорости частицы радиус, а следовательно, и длина ее круговой траектории также соответственно увеличиваются. В результате ускоряемая частица движется по раскручивающейся спирали и всегда приходит в одно и то же место "кольца" через одинаковые промежутки времени. Все, что необходимо сделать, это поместить в данном месте какое-нибудь электрическое устройство, которое подталкивало бы частицу через одинаковые промежутки времени. Мы делаем это с помощью колебательного электрического контура, очень похожего на те схемы, которые вы можете видеть на любой радиостанции. Каждый электрический толчок не очень силен, но кумулятивный эффект многих толчков позволяет разгонять частицу до очень больших скоростей. В этом огромное преимущество циклотрона: он позволяет достигать такого же эффекта, как напряжение во многие миллионы вольт, хотя нигде в циклотроне вы не найдете высоких напряжений. - Очень остроумно, - задумчиво произнес мистер Томпкинс, - А чье это изобретение? - Первый циклотрон был построен несколько лет назад ныне покойным Эрнестом Орландо Лоуренсом в Калифорнийском университете, - ответил профессор. - С тех пор циклотроны значительно выросли в своих размерах и распространились по физическим лабораториям со скоростью слухов. Они оказались удобнее, чем старые ускорители с целым каскадом трансформаторов или другие ускорители, работавшие как электростатические машины. - А нельзя ли разбить атомное ядро вдребезги, не прибегая ко всем этим сложным машинам? - спросил мистер Томпкинс, твердо убежденный сторонник простоты, с недоверием относившийся к любым устройствам сложнее молотка. - Разумеется, можно. Когда Резерфорд проводил свои первые эксперименты по искусственному превращению элементов, он как раз использовал обычные альфа-частицы, испускаемые естественными радиоактивными источниками. Но это было более двадцати лет назад, и, как вы можете убедиться, с тех пор методы деления атома существенно усовершенствовались. - А не можете ли вы показать мне, как разбивают атом? - попросил мистер Томпкинс, всегда предпочитавший увидеть своими глазами вместо того, чтобы выслушивать длинные объяснения. - С удовольствием, - ответил профессор. - Мы как раз приступаем к эксперименту по дальнейшему исследованию деления ядра бора при столкновении с быстрыми протонами. Когда ядро бора сталкивается с протоном и это столкновение достаточно сильно для того, чтобы бомбардирующая частица проникла сквозь потенциальный барьер и оказалась внутри ядра, оно распадается на три примерно равных осколка, которые разлетаются во все стороны. Весь процесс можно наблюдать непосредственно в так называемой пузырьковой камере, делающей видимыми траектории всех частиц, участвующих в столкновении. Такая камера с небольшим кусочком бора в середине установлена у выхода ускорительной системы, и как только циклотрон заработает, вы увидите деление ядра собственными глазами. - Включите, пожалуйста, ток, - обратился профессор к своему ассистенту, - а я пока займусь регулировкой магнитного поля. Чтобы запустить циклотрон, понадобилось некоторое время, и предоставленный самому себе мистер Томпкинс праздно бродил по лаборатории. Его внимание привлекла сложная система усилительных ламп, тлевших слабым голубоватым светом. Не зная в точности, какие электрические напряжения используются в циклотроне (напряжение может быть мало для того, чтобы расщепить атомное ядро, но вполне достаточно, чтобы свалить быка!), мистер Томпкинс осторожно наклонился над лампами. Последовал резкий щелчок, словно укротитель львов взмахнул своим хлыстом, и мистер Томпкинс почувствовал ужасную боль, пронзившую все его тело. В тот же миг тьма окутала все, и он потерял сознание. Когда мистер Томпкинс, наконец, открыл глаза, он обнаружил, что лежит на полу в том самом месте, где его сразил электрический разряд. Помещение вроде бы оставалось прежним, но было обставлено совершенно по-другому. Вместо возвышавшегося наподобие башни циклотронного магнита, сияющих медных контактов и десятков сложных электрических устройств, торчавших тут и там, мистер Томпкинс увидел деревянный стол, на котором были разбросаны плотницкие инструменты. На старомодных полках, висевших по стенам, мистер Томпкинс заметил множество вырезанных из дерева фигур странных и необычных форм. За столом сидел приветливый старичок. Приглядевшись к его чертам, мистер Томпкинс был поражен сильным сходством со стариком Джепетто из фильма "Пиноккио" Уолта Диснея и с портретом покойного Резерфорда лорда Нельсона, висевшим в лаборатории у профессора. - Прошу прощения за невольное вторжение, - сказал мистер Томпкинс, поднимаясь с пола. - Видите ли, я был на экскурсии в ядерной лаборатории и там со мной приключилось что-то странное. - А, так вы интересуетесь атомным ядром? - оживился старичок, откладывая в сторону деревянную фигурку, которую он вырезал. Тогда вы попали как раз туда, куда надо! Я изготовляю всевозможные ядра и буду рад показать вам свою мастерскую. - Я не ослышался? - переспросил мистер Томпкинс с озадаченным видом. - Вы сказали, что занимаетесь изготовлением ядер? - Да, вы не ослышались. Правда, это требует известной сноровки, в особенности изготовление радиоактивных ядер. Ведь не успеешь их выкрасить, как они могут распасться. - _Выкрасить_? - Да, положительно заряженные частицы я обычно окрашиваю в красный цвет, а отрицательно заряженные - в зеленый. Вы, должно быть, знаете, что красный и зеленый цвета принадлежат к числу так называемых _дополнительных цветов_ и при смешивании уничтожают друг друга {Читатель должен иметь в виду, что, говоря о смешивании цветов, мы имеем в виду только лучи света соответствующей окраски, а не сами цвета. Если смешать красную и зеленую краски, то получится некий грязный цвет. Если же половину верхней стороны волчка выкрасить в красный цвет, а другую половину - в зеленый, то, закрутив волчок, мы увидим, что он белый.}. Дополнительные цвета соответствуют положительным и отрицательным электрическим зарядам, которые нейтрализуют друг друга. Если атомное ядро состоит из одинакового числа положительных и отрицательных зарядов, быстро двигающихся в одну и в другую сторону, то такое ядро будет электрически нейтральным и покажется вам белым. Если же положительных или отрицательных частиц будет больше, то вся система будет окрашена в красный или в зеленый цвет. Не правда ли, просто? - Здесь, - продолжал старичок, показывая мистеру Томпкинсу два больших деревянных ящика, стоявших возле стола, - я храню материалы, из которых можно изготовить различные ядра. В первом ящике у меня хранятся _протоны_ - видите эти красные шары? Они очень стабильны и сохраняют свой красный цвет, даже если вы вздумаете поскоблить их ножом или чем-нибудь поцарапать. С _нейтронами_ во втором ящике хлопот гораздо больше. Обычно они белые, или электрически нейтральные, но обнаруживают сильную тенденцию превращаться в красные протоны. Пока ящик плотно закрыт, все в порядке, но стоит лишь вынуть один нейтрон из ящика, как происходит следующее. Вот, полюбуйтесь сами. Открыв ящик, старый резчик по дереву извлек из него один из белых шаров и положил его на стол. Какое-то время ничего не происходило, но как раз в тот момент, когда мистер Томпкинс начал терять терпение, шар внезапно ожил. На его поверхности появились красноватые и зеленоватые полосы, и вскор