Сэм Кин - Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
Вскоре образцы радона положили начало еще более удивительным исследованиям. Резерфорд произвольно назвал небольшие фрагменты, откалывавшиеся от радиоактивных атомов, альфа-частицами (он же открыл и бета-частицы). Опираясь на разницу в весе между разными «поколениями» распадающихся элементов, Резерфорд предположил, что альфа-частицы – не что иное, как гелий, выделяющийся из кипящей жидкости в форме пузырьков. Это значит, что элементы не просто могутперепрыгивать через две клетки периодической системы, как в обычной настольной игре; если уран действительно испускал гелий, значит, элементы могут перемещаться самым разным способом, как в игре со змейками и лесенками.
Чтобы проверить эту гипотезу, Резерфорд поручил стеклодувам с физического факультета изготовить для него две колбы. Первая была тонкой, почти как мыльный пузырь, и в нее Резерфорд закачал радон. Вторая была толще и шире, и в нее он поместил первую. У альфа-частиц имелось достаточно энергии, чтобы проникнуть через первое тончайшее стекло, а преодолеть второе они уже не могли. Таким образом, они оказывались «пойманы» во второй колбе, в которой в начале эксперимента был вакуум. Через несколько дней результат эксперимента оставался практически незаметным, ведь альфа-частицы бесцветны и практически никак себя не проявляют. Но потом Резерфорд пропустил через пустоту электрический ток. Если вы когда-либо бывали в мегаполисе, например в Токио или Нью-Йорке, то уже догадываетесь, что произошло. Как и все благородные газы, гелий светится под действием электричества, и волшебные частицы Резерфорда начали переливаться характерными гелиевыми желто-зелеными оттенками. Фактически Резерфорду пришлось зажечь одну из первых «неоновых» ламп, чтобы доказать, что альфа-частицы – это беглые атомы гелия. Это был великолепный пример резерфордовского изящества и его веры в зрелищную науку.
Со свойственным ему талантом Резерфорд рассказал о связи между альфа-частицами и гелием в своей нобелевской речи, прочитанной в 1908 году. Резерфорд не только получил премию сам, но и подготовил еще одиннадцать нобелевских лауреатов, последний из которых был удостоен этой награды в 1978 году, более чем через сорок лет после смерти Резерфорда. Вероятно, это был самый плодовитый отец со времен Чингисхана, который жил семью столетиями ранее и, по легенде, являлся отцом нескольких сотен детей. Открытия Резерфорда опьянили весь нобелевский бомонд. Тем не менее самое непосредственное и прикладное применение исследований Резерфорда, связанных с гелием, вероятно, ускользнуло от многих, кто присутствовал тогда в Стокгольме. Резерфорд, будучи непревзойденным экспериментатором, понимал, что по-настоящему великие исследования не просто подкрепляют или опровергают ту или иную теорию, а дают толчок новым опытам. В частности, эксперимент с альфа-гелием позволил Резерфорду стряхнуть вековую пыль с древнего научно-теологического спора о возрасте Земли.
Первая условно аргументированная оценка возраста Земли была сделана в 1650 году, когда ирландский архиепископ Джеймс Ашшер вывел его по библейским «данным» – в частности, из родословной патриархов («…и Серух жил тридцать лет, и родил Нахора… и Нахор жил двадцать девять лет и родил Тераха…» и т. д.). В результате он вычислил, что Господь создал Землю 23 октября 4004 года до н. э. Ашшер сделал наиболее точную оценку, которую можно было получить при помощи этих данных, но прошли считаные десятилетия, и практически все научные дисциплины доказали смехотворность такого результата. Физики даже смогли подкрепить свои догадки точными числами, воспользовавшись термодинамическими уравнениями. Все мы знаем, что горячий кофе остывает в морозильнике. Ученые знают, что Земля также постоянно теряет тепло, излучая его в абсолютно холодное космическое пространство. Измерив скорость потери тепла и экстраполировав эти данные в прошлое – до того момента, когда все земные породы были расплавленными, можно примерно определить дату возникновения Земли. Величайший ученый XIX века, Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин, потратил несколько десятилетий на решение этой проблемы и в конце XIX века объявил, что возраст Земли составляет 20 миллионов лет.
Это был триумф человеческого разума, но полученный Кельвином результат был практически так же безнадежно неверен, как и цифра Ашшера. К 1900 году Резерфорд, в частности, уже сознавал, что физика, считавшаяся в те годы значительно более престижной и светской, чем все другие науки, в данном случае дает явно ошибочную оценку. Кстати, Резерфорд однажды заявил: «В науке существует только физика; все остальное – коллекционирование марок». По иронии судьбы, в 1908 году он получил Нобелевскую премию не по физике, а по химии. Действительно, Чарльз Дарвин горячо отстаивал точку зрения о том, что человек не мог развиться из примитивной бактерии за какие-то 20 миллионов лет, а последователи шотландского геолога Джеймса Хаттона утверждали, что горы и каньоны также не могли образоваться за столь краткое время. Но никто не мог опровергнуть грандиозные вычисления лорда Кельвина до тех пор, пока Резерфорд не начал экспериментировать с образцами урановых пород и с пузырьками гелия.
Содержащиеся в некоторых горных породах атомы урана испускают альфа-частицы (в каждой из которых содержится по два протона) и превращаются в торий – элемент № 90. Затем атом тория испускает еще одну альфа-частицу, превращаясь в радон. После этого по такому же принципу радон рождает радий, радий рождает полоний, а полоний рождает стабильный свинец. Такая цепь последовательных распадов была широко известна. Но Резерфорд, как и Глазер впоследствии, испытал научное озарение и понял, что эти альфа-частицы скапливаются в горных породах, образуя пузырьки гелия. Затем Резерфорд уловил еще более важный факт: ведь гелий никогда не реагирует с другими элементами и не образует с ними какие-либо связи. Поэтому, в отличие от углекислого газа в составе известняка, гелия в горных породах быть не должно, и весь гелий, содержащийся в горных породах, появился там в результате радиоактивного распада. Если в породе много гелия, то она очень старая, если небольшие количества – сравнительно молодая.
К 1904 году Резерфорд уже успел несколько лет поразмышлять над этим процессом. В тот год ему исполнилось 33, а лорду Кельвину – 80. Несмотря на весь огромный вклад Кельвина в науку, в таком почтенном возрасте его ум уже потерял остроту. Прошли дни, когда он мог одну за другой выдвигать захватывающие теории. Например, Кельвин полагал, что тяжелые элементы из нижних областей периодической системы в основе своей состоят из «узлов эфира», имеющих различную форму. Наиболее пагубно на научные представления Кельвина повлияло то, что он так и не смог вписать в свою картину мира неудобные, даже устрашающие факты, связанные с радиоактивностью. Именно поэтому Мария Кюри однажды затащила его в чулан, чтобы он смог своими глазами посмотреть на сияющий в темноте элемент. Резерфорд, напротив, понял, что из-за радиоактивного распада в земной коре выделяется дополнительная теплота, что совершенно дискредитирует прежние теории о равномерном излучении земного тепла в космическое пространство.
Резерфорду не терпелось во всеуслышание объявить о своих идеях, и он решил прочитать лекцию в Кембридже. Но Кельвин, даже потерявший хватку, по-прежнему играл важную роль в научной политике. Если бы Резерфорд осмелился развенчать те расчеты, на которых этот патриарх сделал себе имя, то карьера Резерфорда могла оказаться под угрозой. Итак, новозеландец начал свое выступление осторожно, но, к счастью, сидевший в первом ряду Кельвин почти сразу же стал клевать носом. Резерфорд воспользовался этим и, не теряя времени, стал обрисовывать свои выводы. Но, как только он начал сотрясать основы работ Кельвина, старик взбодрился и стал внимательно следить за рассказом.
Отступать было некуда, и Резерфорд вдруг припомнил одно замечание, высказанное Кельвином в его книге. Эта мысль, выраженная в типичном «кабинетном» научном стиле, сводилась к тому, что расчеты возраста Земли верны, если «никто не откроет дополнительные источники тепла», скрытые в глубинах планеты. Резерфорд упомянул об этом уточнении, отметив, что именно радиоактивность может быть этим скрытым источником тепла, и виртуозно сымпровизировал, заявив, что лорд Кельвин предвидел открытие радиоактивности уже несколько десятков лет назад. Ну не гений ли? Старик просиял и торжествующе взглянул на собравшихся. Он уже готов был считать Резерфорда болтуном, но не собирался отказываться от комплимента.
Резерфорд не возвращался к этой теме вплоть до смерти Кельвина, скончавшегося в 1907 году, а вскоре после этого доказал взаимосвязь между гелием и ураном. Теперь уже никакая научная политика не могла ему помешать – к этому времени сам Резерфорд уже стал живым классиком науки (а позже вошел в число тех немногих ученых, чьи имена увековечены в периодической системе – элемент № 104 называется резерфордием). Будущий лорд Резерфорд исследовал образец древней ураносодержащей породы, извлек из нее микроскопические пузырьки гелия и пришел к выводу, что Земля имеет возраст не менее 500 миллионов лет. Эта цифра более чем в двадцать пять раз превышала оценку Кельвина и отличалась от истинной величины всего на порядок. За дело взялись геологи, умевшие оценивать возраст пород гораздо лучше Резерфорда, и через несколько лет пришли к выводу, что, исходя из содержания гелия в уране, возраст Земли должен составлять как минимум два миллиарда лет. Эта цифра все-таки наполовину меньше верной, но благодаря крошечным пузырькам, засевшим в радиоактивных минералах, человек впервые смог оценить ошеломляющую древность Космоса.
