Капканы совершенствуются
Но все это еще далеко впереди.
А пока из "красной России" приходят удивительные научные известия. О них сообщает в журнале Академии наук молодой советский физик Дмитрий Владимирович Скобельцын.
Прежде всего он додумывается поместить камеру Вильсона между полюсами сильного магнита. Результат этого мы уже можем предвидеть. Космическая частица, успешно преодолевшая ветер земного магнитного поля, часто оказывается бессильной противостоять магнитному ветру в камере: этот во многие тысячи раз сильнее земного. И частица сворачивает на кривую дорожку.
А дальше? Дальше можно повторить все те измерения, которые когда-то привели Томсона к открытию электрона. Прежде всего, измерив кривизну следа частицы в камере, можно определить отношение величины заряда к массе частицы. А считая, что частица несет на себе единичный электрический заряд (равный по величине заряду электрона), можно вычислить массу частицы.
Кривая должна говорить, однако, о большем. Магнитное поле искривляет пути положительно и отрицательно заряженных частиц в разные стороны. Значит, по тому, как искривлен след, можно сразу сделать заключение и о знаке заряда частицы.
Наконец, зная, что за частица влетела в камеру - об этом сообщают характерные свойства ее следа, жирный ли, прерывистый ли он, - ученый может по известной массе определить энергию частицы. А это исключительно важно.
Так след космической частицы становится источником важной информации о ее свойствах.
Но часто встречаются и такие энергичные космические частицы, что даже сильнейшее магнитное поле в камере не в состоянии сбить их с пути. Следы таких частиц простираются в камере от стенки и до стенки, совершенно прямые, одинаково тонкие или одинаково неплотные. О чем же это говорит? О том, что частица растратила в камере лишь ничтожную долю своей колоссальной энергии.
Так закружило не очень энергичный электрон магнитное поле в камере Вильсона. Электрон, выбитый из атома космической частицей, получил от нее в полет энергию порядка тысячи электрон-вольт. Постепенно растрачивая эту энергию в столкновениях с атомами газа, он описал суживающуюся спираль. Подсчитывая число следов таких, как их назвали физики, дельта-электронов и начальный диаметр витка спирали, можно узнать, какую энергию потеряла космическая частица в камере.
Торопливая частица пролетела камеру насквозь, не задерживаясь в ней. А поймать ее было бы очень интересно.
Но как это сделать? Космические частицы достигают Земли, пусть растеряв часть своей энергии в атмосфере, все же далеко не на излете. Даже смешно думать, что тонюсенький слой газа в камере смог бы в этом отношении конкурировать с многокилометровой толщей атмосферы Земли.
Поднять давление газа в камере до тысяч атмосфер? Трудно, но в принципе можно. Однако это даст лишь то, что метровый слой газа в камере сравняется с километровым слоем воздуха. Все равно - этого слишком недостаточно.
Космические лучи неплохо задерживаются тяжелыми металлами, атомы которых насчитывают на своих оболочках многие десятки электронов. Например, свинцом.
А раз так, то можно в камере Вильсона сделать свинцовые переборки. Одну, другую, третью. Даже если частица проскочит через все переборки, она в конце концов сильно замедлится.
Вот в камеру влетает частица, вспыхивает лампа, фотоаппарат срабатывает. И первые же снимки оправдывают ожидания. Даже больше - на них видны целые грозди следов частиц. Немногочисленные у первой переборки, на которую упала частица, затем они быстро ветвятся, и вот уже с переборок свисают целые кусты из многих десятков и сотен следов.
"Снопы частиц", - называет их Пьер Оже, уроженец солнечной Франции.
"Ливни частиц", - предлагает Патрик Блеккет, житель дождливой Англии. Это название - "ливни" - и закрепляется за удивительным явлением. Может быть, ливни побеждают еще и потому, что немного спустя это явление обнаруживают и в атмосфере. А это уже более близкое сравнение.
Ливень вторичных частиц, образованных энергичной космической частицей в свинцовых перегородках камеры Вильсона. Изучая число "струй" в таких ливнях от перегородки к перегородке, можно в конце концов оценить энергию космической частицы. Она наверняка составит многие миллиарды электрон-вольт.
Ливни в камере Вильсона - лишь жалкое подобие атмосферных ливней, в которых рожденные одной космической частицей и бурно размножающиеся потоки миллионов вторичных частиц летят на Землю.
- Подумать только, - восклицает Пьер Оже, - что такие ливни непрерывно возникают в нашем собственном теле! Ежеминутно в наше тело проникает около тысячи космических частиц, а за этот промежуток времени в тканях нашего тела возникают сотни ливней, о которых мы не имеем ни малейшего представления.
Не имели - правильнее сказать. К концу двадцатых годов физики такое представление получили.
Что ж, можно начинать настоящий штурм космических лучей. Но для этого необходимо подтянуть теоретические тылы. Со времени создания Резерфордом и Бором замечательной теории атома прошло почти двадцать лет. И за эти годы старую теорию не узнать, настолько она изменилась и обогатилась. Теперь слово о ней.
Глава 3
Кентавры атомного мира
Теория на перепутье
"Победителей не судят!" - гласит старая поговорка. В науку она, однако, доступа не имеет. Еще как пристрастно судят! Пока не обоснован каждый шаг ученого в его сражении с природой, победа не засчитывается.
Но изредка бывает и иначе. Подозрительные ученые, косясь на ничем не обоснованную теорию, все же начинают потихоньку применять ее. Все-таки что-то лучше, чем ничего! Первый успех, второй успех!
И прежняя недоверчивость исчезает: теория "работает". Она никак не обоснована? Это ничего, "работает", значит, в общем, верна. А обоснование все равно когда-нибудь придет!
Так случилось с теорией квантов Планка. Тринадцать лет ждали кванты энергии, пока Бор так естественно не объяснил их, как неизбежное следствие электронных прыжков на атомных орбитах. Но само это объяснение, как и запрет электрону излучать, находясь на одной орбите, требовало обоснований. А обосновать их Бор не мог.
Теория Бора никак не вытекала из старой физики. Избранные орбиты электронов в атоме вместо любых, дозволяемых старой физикой. Какие-то прыжки с орбиты на орбиту вместо плавного, непрерывного перехода. Да тут и не пахнет старыми, привычными представлениями. Не пахнет? А вот вдумчивые ученые учуяли. Нам придется придержать разговор об этом до следующих страниц: неопределенное чувство половинчатости теории Бора удалось воплотить в четкие формулы лишь спустя десять лет после ее появления.
А пока что эта теория работала, и работала замечательно. Измеряя энергии атомных квантов, удалось многое узнать о состояниях электронов в атоме. Стали выясняться многие закономерности оптических, тепловых, электрических, магнитных свойств вещества. Возникла квантовая химия, основы которой вошли сегодня во все школьные учебники.
И с развитием теории Бора все чаще стали замечаться ее слабости.
Бурный поток, разливаясь по равнине, обнажает подводные камни. Как ни удивительно, одним из таких подводных камней для теории Бора оказались те самые спектры, происхождение которых она столь блестяще объяснила.
Физика - наука точная. Она не удовлетворяется одним объяснением - ей подавай точный расчет. Вот, например, спектр излучения атома. Его линии характеризуются двумя величинами - частотой, или длиной волны, и интенсивностью, или яркостью.
Длины волн спектральных линий теория Бора рассчитывать позволяет. Это ее успех. А вот как быть с расчетом интенсивностей? На этот счет теория не дает никаких указаний. Более того, из нее вообще не вытекает, что спектральные линии могут иметь разные яркости.
В самом деле, если электрон набрал достаточную энергию, то он может совершать между орбитами как длинные прыжки назад, в которых расходуется вся эта энергия, так и короткие, в которых освобождается только ее часть. Ничто не запрещает электрону совершать длинные прыжки столь же часто, как и короткие.
Электрон, заброшенный на далекую от ядра орбиту, может вернуться на исходную орбиту не обязательно за один прием. Тогда вместо одного кванта высокой частоты (или энергии) возникнет несколько квантов с меньшими частотами. И ниоткуда не следует, что электрон должен предпочитать возвращение домой на экспрессе путешествию с пересадками на промежуточных станциях, и наоборот.
А вот на зависть теории Бора ее поверженная предшественница - старая физика - рассчитывать интенсивности спектров умеет. Правда, ей доступны только непрерывные спектры. Вспомним, что она, в свою очередь, даже и помыслить не может об объяснении рождения отдельных линий.
Итак, одна теория умеет одно, другая - другое. Бору приходит в голову мысль сопрячь обе теории вместе.