Между тем этот великий эксперимент, принципиальная схема которого легла в основу всей экспериментальной ядерной физики XX века, впервые позволил увидеть строение атомов. А непосредственная интерпретация сводилась к следующему. Вещество образца в основном прозрачно для альфа-частиц, но в него как бы вкраплены отдельные центры, несущие довольно большой положительный электрический заряд и имеющие чрезвычайно малый (по сравнению с атомным!) размер, причем именно в них сосредоточена вся масса вещества. Изредка налетая на такие центры, положительно заряженные альфа-частицы испытывали сильное отталкивание согласно закону Кулона для одноименных зарядов и рассеивались на очень большие углы. Отсюда и был сделан вывод о существовании атомных ядер. Поскольку атомы в целом электронейтральны, большой целочисленный (в единицах заряда электрона) положительный заряд каждого ядра должен компенсироваться соответствующим числом отрицательно заряженных электронов в атоме.
Так появилась знаменитая резерфордовская модель атома, работа над которой была завершена к 1911 году. В настоящее время картинка — несколько электронных орбит вокруг центрального ядра, наглядное изображение этой модели — стала своеобразным символом ядерных исследований.
Впрочем, рассказ об этом открытии нуждается, по крайней мере, в одном очень полезном уточнении. Планетарный (по аналогии с изображением солнечной системы) образ атома отнюдь не обязан своим появлением результатам резерфордовских экспериментов. Он зародился гораздо раньше. Еще в 1903 году японский физик X. Нагаока в докладе на заседании Токийского физико-математического общества выдвинул модель, где электронные оболочки располагались вокруг центрального тела наподобие колец планеты Сатурн. Через пару лет к разработке планетарной схемы строения атомов приступил Дж. Стони. Существовали и конкурирующие модели. Самая важная среди них была сформулирована учителем Э. Резерфорда Дж. Дж. Томсоном вскоре после открытия электрона. Дж. Дж. Томсон полагал, что электроны атома плавают в некотором облаке положительно заряженного вещества; и до поры до времени его идеи не противоречили результатам измерений.
В общем, исследования Э. Резерфорда и его сотрудников возникли не на пустом месте, более того, они были специально направлены на выяснение роли положительного электричества в атомной структуре. Значение их открытия трудно переоценить, но нельзя и забывать, что оно было серьезно подготовлено предшествующими теоретическими гипотезами.
Такая подготовка играет в физике всегда очень большую роль, поскольку эксперимент и теория состоят, вообще говоря, в весьма сложных взаимоотношениях. Казалось бы, куда проще: экспериментатор задал вопрос Природе, получил ясный ответ, потом пришел теоретик написал нужное уравнение, получил подходящее решение и нарисовал несколько простых картинок для объяснения своей заумной математики нормальными человеческими понятиями. Если экспериментатор ошибся и через какое-то время даст теоретику совсем противоположные результаты, то последний волей-неволей начнет говорить о совсем иных решениях, нарисует новые картинки и… снова не менее успешно объяснит новые данные. Недаром ведь по поводу способности теоретиков «объяснять что угодно» едва ли не в каждой крупной лаборатории существуют анекдотические, но вполне правдивые истории.
Разумеется, в нарисованную здесь примитивную схему может поверить только несведущий человек. Ни один опыт никогда не ставился без определенной цели, по принципам известного сказочного персонажа — «пойди туда, не знаю куда, принеси то, не знаю что». Экспериментатор всегда имеет некоторое предварительное представление о том, что следует искать. Это представление может быть весьма приближенным и даже в конечном счете неправильным, но оно обязательно существует.
Физики часто характеризуют такую ситуацию мудреным на первый взгляд оборотом: «Экспериментатор работает под определенную модель». По существу же, идея крайне проста. До постановки опыта всякое угадывание конечных результатов эквивалентно формулировке той или иной теоретической гипотезы. Гипотезу можно выдвинуть на основе уже существующей модели или придумать собственную оригинальную модель — это дело опыта и возможностей. Можно вообще ничего не придумывать, а выяснять мнение у находящихся поблизости авторитетных коллег! Но в любом случае поставленный эксперимент в первую очередь послужит целям проверки той модели, на которую ориентируется его автор.
Обратимся еще раз к истории открытия радиоактивности. Под какую модель работал А. Беккерель?
Основная его гипотеза заключалась в том, что фосфоресцирующие вещества могут испускать наряду с видимым светом еще и проникающее излучение типа рентгеновского. Первым опытам А. Беккереля как раз и предстояло дать ответ на вопрос: могут или не могут?
Результаты оказались положительными и были немедленно опубликованы. Их ценность заключалась именно в том, что они не противоречили принятой модели, более того, первоначально А. Беккерель был уверен, что доказал свою гипотезу. И лишь после известного нам казуса (я уверен, что плохая погода сослужила верную службу не одному выдающемуся достижению в физике) он исключил из своей гипотезы предположение, будто таинственное излучение связано с влиянием солнечного света, а вскоре и предположение, что оно связано с фосфоресценцией. Постепенно у него сформировалась новая модель: вещество испускает излучение неизвестной природы, если в состав образца включен уран; причем основные свойства этого излучения — высокая проникающая способность и независимость от внешних воздействий на источник. Именно последнее свойство резко отличало «лучи Беккереля» от рентгеновских лучей, которые были неразрывно связаны с работой катодной трубки.
Да, теория не пассивный созерцатель, а активный соавтор в добыче новых экспериментальных фактов. Без фактов может остаться на долгое время в тени любая, даже самая интересная идея, но и самый важный факт может «проскочить» мимо исследователя, если тот не вооружен соответствующими гипотезами. Это один из наиболее универсальных законов развития науки, и всякое крупное его нарушение сопровождается грустным комментарием историков: «Такая-то работа значительно опередила свое время и осталась почти незамеченной», или: «Время такого-то открытия еще не наступило».
Мало кому сейчас известно, что в середине прошлого века В. Вебер, прославившийся работами по электромагнетизму и изобретениями многих приборов, развил теорию, в которой фигурировали «атомы электричества», вращающиеся вокруг центрального ядра, и оказался, по-видимому, первооткрывателем планетарной модели атома. Несомненно, его идеи повлияли на ряд последующих поисков. Но, как мы помним, даже появившиеся через 50–60 лет после веберовских работ модели X. Нагаока и Дж. Стони, основанные не на гипотезе, а на факте существования электрона, обратили на себя внимание лишь в связи с экспериментами в резерфордовской лаборатории. А вот другой факт из истории физики. Еще в 1887 году А. Шустер, варьируя отклонения катодных лучей в магнитном поле, измерил отношение заряда к массе для частиц, из которых, по его мнению, состояли эти лучи.
Таким образом, при наличии более развитых теоретических представлений дата рождения физики элементарных частиц могла сдвинуться вниз на целых 10 лет! Да что уж там 10 лет! В истории науки имеются куда более поразительные примеры. Теоретическая недостаточность построений Аристарха Самосского, который впервые пытался обосновать наблюдениями гелиоцентрическую картину солнечной системы, но был абсолютно уверен в строго круговой форме планетарных орбит, примерно на 17 веков задержала развитие научной астрономии.
На фоне всех этих, в общем-то, несложных правил и примеров явно выделяется один очень интересный эффект, который я обозначил бы как «феномен предоткрытия». Этот эффект сыграл настолько выдающуюся роль в период зарождения физики элементарных частиц, да и на всех последующих этапах ее развития, что на его описании просто нельзя не остановиться.