Невидимый современник

Когда я учился в школе, электрон уже казался понятным и привычным, но то, что это и частица и волна, не укладывалось в голове. Не только моей, но и ученых-философов. А прошли годы, и мне пришлось работать с электронным микроскопом, где используются волновые свойства электронов, постигать законы электронной оптики.

Не так давно многие смотрели на гениальное уравнение Эйнштейна E = mc² как на формальный математический трюк, в лучшем случае, считали: да, это правильно, но какое это имеет значение? Так, что-то из области «четвертого измерения». А теперь этим уравнением начинены атомные бомбы и атомные реакторы, и оно же поведет космические корабли к другим звездным системам…

И хотя эта книга о радиобиологии, нам тоже придется соприкоснуться со странным миром мельчайших частиц вещества и энергии. Ведь в основе биологического действия радиации лежит взаимодействие электронов и прочих частиц микромира с атомами и молекулами живого вещества.

Нет, мы не будем говорить ни о таинственных «кварках», про которые никто не знает, существуют они или нет, ни про антигипероны, ни даже про мезоны, но соприкоснуться с этим миром необходимо.

Если бы Андрюша спросил доктора наук Зырянова не о цвете электрона, а сколько сейчас известно элементарных частиц, тот, вероятно, ответил бы более уклончиво, что-нибудь вроде «около тридцати», ведь в наше время новые частицы появляются одна за другой. И кто знает, может быть, вчера вышел в свет свежий номер журнала, где описано открытие следующей.

Первой элементарной частицей, с которой познакомились физики, оказался электрон. Открыл его знаменитый «Джи-Джи» — профессор Джозеф Джон Томпсон. Электрон сразу поставил физиков перед новыми трудностями (не потому ли мудрый Рентген не желал его признавать?!). Тотчас же стало ясно, что электроны присутствуют в огромном числе во всех телах. Между тем электроны заряжены отрицательно — это одно из их основных свойств. А наш мир электрически нейтрален. Явный парадокс!

Этот парадокс было дано разрешить талантливейшему из учеников «Джи-Джи», сыну новозеландского фермера Эрнсту Резерфорду — одному из первых и наиболее выдающихся исследователей радиоактивности. Он изучал рассеяние альфа-лучей при прохождении их через тонкую золотую фольгу. Альфа-лучи возникают при радиоактивном распаде и представляют собой поток довольно тяжелых (во всяком случае, по сравнению с электронами) частиц, заряженных положительно. Альфа-частицы прошивали тоненький золотой лепесток, как пуля лист бумаги. Некоторые слегка отклонялись от первоначального пути. Но отдельные, очень немногие вели себя крайне удивительно. Они летели назад! Пуля отскакивает от листка бумаги?

Слово «атом» было придумано Демокритом из Абдеры. Больше двух тысячелетий жил этот термин, не облеченный ни в какие физические одежды. Шарики? Песчинки? Но ведь это не физическая модель «мельчайшего неделимого».

Редкие частички, отражавшиеся от золотого лепестка, позволили различить первые физические черты атома. После долгих раздумий и неизбежных ошибок Резерфорд пришел к выводу: атом состоит из тяжелого, положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются легкие отрицательные электроны (как планеты вокруг Солнца). От этих тяжелых ядер и отражались частицы в опытах с золотой фольгой.

Удивительно наглядная гипотеза. Микромир устроен так же, как мир звезд и планет! Сколько раз потом атом менял свое обличье, но большинство людей до сих пор именно так его и представляют, потому что их вполне устраивает подобная наглядность.

Но что устраивало большинство, не удовлетворяло физиков, и в первую очередь, вероятно, самого Резерфорда. Физическая модель атома, описанная Резерфордом в мае 1911 года, противоречила законам физики. Та самая модель, что осела в умах большинства людей.

Согласно законам классической электродинамики, заряженная частица, вращающаяся по круговой орбите, должна непрерывно излучать энергию, теряя ее при этом. И в конце концов (а именно: очень быстро) упасть на ядро. Если бы атом был устроен так, как полагал Резерфорд, наш мир вообще не существовал бы. Но тем не менее ученый был прав, хотя и возник парадокс, который вскоре разрешил один из величайших физиков, датчанин Нильс Бор — ученик Резерфорда.

Классической электродинамике противоречило не только поведение электронов. Давно уже ученых смущали спектры излучений (не тех проникающих излучений, о которых пойдет речь в этой книге, а самых обыкновенных лучей света), испускаемых атомами. Вместо «радуги» атомы дают спектры, состоящие из отдельных полос. Они выглядят так, словно на обычный непрерывный спектр наложили черную бумагу с узкими прорезями. И это противоречило тогдашней физике.

В голове Бора родилась «безумная» гипотеза. Он предположил, что законы классической термодинамики не распространяются на мир электронов и атомов. Им управляют свои, особые законы.