Наука — та же армия. Наука никогда не ведет наступление с одинаковой силой по всем фронтам. Сегодня — прорыв оборонительной полосы на одном участке фронта, завтра — на другом, послезавтра — на третьем. Только эти «сегодня», «завтра» и «послезавтра» подчас отделены друг от друга десятилетиями.
Неизмеримо широк фронт физики — от мельчайших частиц до гигантских галактик. Одновременное широкое наступление по всему фронту невозможно. Но когда идет успешное наступление на одних участках, на других не спят. Там внимательно прислушиваются к близкой канонаде и ждут своего часа.
В двадцатых годах нашего века в физике все более явно обозначается новый фронт — атомное ядро. Вслед за первыми, поразившими воображение ученых опытами Резерфорда следуют новые энергичные попытки расщепления ядер. И в результате ядро становится в представлениях ученых все более сложным, все более трудным для понимания.
В самом деле, на их глазах представление о ядре — скопище враждующих протонов, удерживаемых от разлетания лишь электронным клеем, становится все менее убедительным. Уже несложный расчет показывает, что ядро на электронном клею должно быть непрочным. Во всяком случае — ненамного прочнее атома.
Атом же, в сущности, не очень прочная конструкция. Высокие температуры, химические реакции, облучение светом и рентгеновыми лучами способны отрывать от него целые куски. Нам уже понятно, что речь идет об ионизации атомов. При достаточном усилии с атомов можно содрать даже всю электронную «шкуру» и оставить одно голое ядро.
Но, с другой стороны, это самое ядро не поддается никаким усилиям физиков. Высочайшие температуры и давления, сильнейшие электрические поля, самые ярые химические реакции не оказывают на него ни малейшего воздействия. Ядро, видимо, способно откликаться лишь на те частицы, которые оно само же породило. Так, например, и случилось в опытах Резерфорда по бомбардировке ядер альфа-частицами.
Получается так, как будто ядро — рекордсмен прочности в природе. Выходит, что цемент, на котором оно замешано, — не электронный цемент.
А квантовая механика добавляет к этому заключению еще одно неоспоримое свидетельство. Она утверждает, что электроны просто-напросто не могут поместиться в ядрах.
Поначалу это может обескуражить. Еще в начале века Гендрик Лоренц подсчитал по старой физике радиус электрона. Он оказался порядка десятитриллионных долей сантиметра. Опыты двадцатых годов, с другой стороны, показывают, что ядра атомов должны иметь размеры того же порядка. Почему же в таком случае электроны должны выпирать за рамки ядра?
Дело, однако, оказывается не столь простым. Квантовая механика — и не без оснований — утверждает, что электрон, а с ним, разумеется, и все другие кирпичики вещества — это не точки и не шарики вполне определенных размеров. Это, скорее, некие облачка, не имеющие никаких строгих границ, — «облака вероятности».
Что ж, теперь, когда мы немного познакомились с квантовой механикой, это не должно вызывать у нас особого удивления. Помните волну вероятности? Она же, строго говоря, не имеет в пространстве ни начала, ни конца — на то она и волна! Но зато, с другой стороны, она не одинаково сильна: облачко, которым теперь представляется частица, в одних местах очень густое, а во всех остальных — почти совершенно прозрачное. Что-то вроде клуба дыма.
Понятно, что чем больше вероятность пребывания частицы в таком-то месте, тем гуще в этом месте «дым». Поэтому физики чисто условно провели границу частицы там, где облачко становилось практически совершенно прозрачным.
Таким «дымовым клубом» физики представили и ядро. И оказалось при этом, что «клубы» протонных облаков, очень крошечные, хорошо укладывались в размеры (конечно, условные) ядра. Тогда как электронные облака расползались чуть ли не по всему атому, имеющему в тысячи раз бóльшие размеры.
Да, электроны явно не умещались в ядрах! Как же быть? И физики после долгих размышлений лишили электрон пристанища в ядре.
Но это было лишь полдела. Ядро продолжало себе спокойно жить и не разлетаться на кусочки даже без электронов. Какая-то пока неведомая причина не только удерживала от разлета бешено враждующие протоны (на таких малых расстояниях, как в ядре, сила их электрического взаимного отталкивания колоссальна!), эта причина сплачивала протоны в такие поразительно прочные коллективы, что их никакое усилие не брало. Было над чем ломать голову!
А что же квантовая механика? Чем она скрепила ею же «разрушенные» ядра?
Да ничем. Она сама пока не может сказать ничего положительного. Молчат теоретики. Слово за экспериментаторами.
А те пока безмолвствуют. Но они работают. Работают усерднее, чем когда-либо.
Если бы в начале тридцатых годов мы с вами заглянули в одну из немногочисленных в то время лабораторий ядерной физики, нам бы представилась картина, совсем не похожая на ту, что была в начале века.
За каких-нибудь тридцать лет эти лаборатории неузнаваемо изменились. Вместо крошечных клетушек — большие помещения, неуютные, холодные — почти что сараи. Около огромных колонн хлопочут люди. На верху колонн смутно поблескивают большие шары. Провода от них тянутся вниз, к длинной трубе, около которой деловито стучат насосы.
Вся установка имеет какой-то марсианский вид. Но она — вполне земное изобретение. Это первый ускоритель заряженных частиц, изобретенный голландским ученым Альбертом Ван-де-Граафом.
Ускоритель Ван-де-Граафа. В высокой полой трубе движется лента, накапливает электрический заряд и передает на электрод ускорительной камеры высокое, до нескольких миллионов вольт, напряжение. (Вам будет интересно узнать, что, прогуливаясь по ковру, вы тоже представляете собой как бы маленький Ван-де-Граафов генератор: разность потенциалов между вами и землей может дойти до десятков тысяч вольт!) Под действием миллионовольтного напряжения электроны в ускорительной камере набирают почти околосветовую скорость. Протоны в такой камере тоже набирают скорость порядка десятка тысяч километров в секунду.
Физики тех лет вряд ли знакомы с Мичуриным. Но на их знамени — тот же известный мичуринский девиз: «Не ждать милостей у природы!»
Не ждать, пока редчайшая частица космических лучей влетит в ядро и расщепит его, да еще так, как это нужно ученым. Не ждать, пока тоже редкая альфа-частица из препарата радия натолкнется на ядро. Самим создавать мощные и быстрые потоки ядерных частиц!
Но сделать это совсем не просто. Прежде всего, какие частицы взять? Электроны? Можно. Но недолгий опыт уже показывает, что расщепление ядра электронами не вызвать. Это, кстати, еще одно свидетельство того, что в ядре электронов нет. Выбитый из ядра электрон сделал бы ядро неустойчивым. Оно должно было бы избавиться тогда от ставшего лишним протона. Однако этого никто никогда не замечал.
Значит, не электрон. Взять альфа-частицы, как это делал отец ядерной физики Резерфорд? Не очень удобно: альфа-частицы несут двойной электрический заряд, а значит, довольно сильно отталкиваются ядрами, у которых заряд имеет тот же знак. Да к тому же это составные частицы. Вылетит из ядра частица — и надо соображать, кому же она принадлежала: альфа-частице или ядру?
Остается протон — частица приятная во всех отношениях. Получить ее в чистом виде нетрудно: достаточно содрать электронную «шкуру» с атомов водорода. А этих атомов — хоть пруд пруди. Далее, частица эта — самая простая, оттого и названная протоном. Так что любое ядерное явление тоже будет происходить в «чистом» виде. Наконец, заряд протона вдвое меньше, чем у альфа-частицы, так что отталкиваться ядрами он будет вдвое слабее и легче сможет проникнуть в них.
Итак, протон. Остается лишь разогнать его до такой энергии, чтобы он смог пробить стену, которой отгородилось от внешнего мира ядерное семейство. Снаряд есть, нужна пушка. «Марсианское» сооружение в большом полутемном сарае — и есть первая такая пушка.