Вскоре Томсон распространил идею изотопов на нерадиоактивный неон, атомный вес которого 20,2. Изучая движение атомов в вакууме и действуя на них одновременно электрическим и магнитным полем, Томсон разделил их на два сорта. Большая часть атомов неона имела атомный вес 20, а меньшая — 22. Томсон поручил разобраться в этом вопросе своему ассистенту Астону. Тот включился в работу, у него появились свежие идеи, но Первая мировая война прервала исследования — Астона призвали в армию.
Астон всё-таки успел внести в науку важный вклад. Он усовершенствовал электромагнитный метод разделения изотопов Томсона и создал замечательный по точности прибор, который назвал масспектрографом. Прибор сразу показал, что хлор с его нецелым атомным весом состоит из двух сортов атомов-изотопов: с массами 35 и 37. Число естественных нерадиоактивных изотопов быстро увеличивалось. Укреплялась вера в гипотезу Праута, ибо для первых тридцати элементов таблицы Менделеева целочисленные значения массы изотопов выдерживались с точностью до одной тысячной.
Исключение составлял только водород, для которого вместо единицы получалось 1,008 (если атомный вес кислорода принять в точности за 16)! Не веря себе, учёные продолжали измерять атомные веса, добиваясь всё большей точности.
Постепенно выяснилось, что для более тяжёлых элементов отклонение от целочисленности нарастает. Это невозможно было понять. Казалось бы, атомный вес тяжёлого элемента, составленного из нескольких водородных атомов, должен быть равен сумме их атомных весов. Но он всегда оказывался мень ше. Получалось, что масса нескольких, например десяти, свободных ядер водорода больше тех же десяти ядер водорода, слепившихся в ядро другого элемента. Почему?!
Астон, пытаясь ответить на этот вопрос, нащупал причину поразительного явления, о котором догадался Эйнштейн и которое не обнаружил ещё ни один эксперимент. Речь идет об удивительном выводе теории относительности: эквивалентности энергии и вещества.
После открытия Максвеллом законов электромагнитного поля выявилась иная, чем думали раньше, плоть мироздания. Не атомы и пустота, как считали древние атомисты; не сплошная материя, как хотелось верить Аристотелю. Плоть мира — это электромагнитное поле и вещество. Вот фундамент, на котором предстояло возводить новое здание мира. Надо было найти связь между этим полем — электромагнитным полем, включающим в себя свет, магнитные и электрические поля, — и веществом, мельчайшим зерном которого уже был признан электрон.
Первый шаг в объединении поля и вещества после Максвелла сделал голландец Лоренц. Он создал электронную теорию вещества. Он угадал, что электромагнитное поле Максвелла не нечто изолированное и оторванное от материи. Нет, в плоть поля природой вкраплены электроны — эти элементарные частицы вещества и одновременно элементарные частицы электричества (кванты вещества и электричества одновременно). Сочетание электронов с электромагнитным полем образует всё многообразие мира, все материальные тела. Лоренц нарисовал и механизм дыхания этой Вселенной: движение электронов порождает электромагнитное поле, а волны поля в свою очередь вызывают движение электронов.
Если электроны, частицы материи, являются одновременно и частицами поля, размышлял Эйнштейн, то что вынуждает нас фундаментом мира считать две ипостаси: поле и вещество? Не более ли логично опереться на одну реалию: поле? И самый мудрый из физиков мечтал охва тить все явления Вселенной теорией единого поля, включающего и электромагнитные волны, и гравитационные, и ядерные, и все известные и ещё неизвестные людям поля. Ему это не удалось, но он верил в целесообразность такой модели мира, чувствовал её исчерпывающую полноту — и кто знает, может быть, ещё при нашей жизни физика подтвердит эту концепцию…
Эйнштейн оставил нам теорию относительности — ключ к пониманию взаимоотношений поля и вещества. Эта теория помогает найти качественную и количественную меру взаимоотношений этих двух субстанций. И одна из мер — общий закон сохранения энергии и вещества, закон их эквивалентности.
Эйнштейн нашёл такие удивительные проявления закона эквивалентности массы и энергии (в мире больших скоростей и энергий), столь парадоксальные, не наблюдаемые в повседневной жизни, что физикам это казалось курьёзом, не заслуживающим внимания. Например, из теории относительности следовало, что масса движущегося тела больше его же массы в покое; масса нагретого тела больше массы холодного, частицы которого движутся медленнее. Разность, предсказываемая теорией, была столь мала, что казалось невозможным её обнаружить. И мысль о том, что одно и то же тело может иметь разную массу, считалась многими бредом.
И вот Астону посчастливилось натолкнуться на одно из проявлений этого парадоксального предсказания. В том, что ядро тяжёлого элемента, составленное из нескольких ядер водорода, имело иной вес, чем простая сумма весов тех же ядер водорода, но свободных, не связанных между собой, Астон увидел намёк на эйнштейновское утверждение.
В 1920 году он объявил, что при объединении протонов в более тяжёлые ядра результирующее ядро должно быть легче за счёт «эффекта упаковки». Это было прямое следствие положения Эйнштейна об эквивалентности вещества и энергии. И действительно, чтобы разрушить образовавшееся тяжёлое ядро и освободить протоны, потребовалось именно то количество энергии, которое соответствовало разности массы ядра и суммарной массы его осколков. Величина «дефекта массы» в точности определялась формулой Эйнштейна…
Итак, учёные, пытаясь ответить на «проклятый» вопрос о взаимоотношениях энергии и вещества, продвинулись ещё дальше в глубь атома, в его ядро.
Перед ними стояли фундаментальные проблемы. «Мы знаем, — писал Эйнштейн, — что всё вещество состоит из частиц немногих видов. Как различные формы вещества построены из этих частиц? Как эти элементарные частицы взаимодействуют с полем?»
Прежняя, классическая физика, не ведавшая о зернистой, квантовой структуре вещества и поля, не могла дать ответ.
Ответ могли принести только новые идеи, новые эксперименты.
Впрочем, мы забежали вперёд. Прослеживая торжественный марш новых идей, мы не должны забывать, что продвижение это носило драматический характер. Учёные разрушали многовековое представление об элементарности атома, цепляясь за старые истины, стремясь сохранить саму идею существования простейших, элементарнейших «прачастиц».
Томсон, определивший заряд и массу электрона, предположил, что именно электроны и есть эти «прачастицы», что из них возникают все атомы, если их объединяет между собой некая сила. В первом варианте этой гипотезы роль связующей силы играла магнитная сила. Но огромная — тысячекратная! — разница масс электрона и атома водорода делала такую гипотезу чрезмерно сложной.
Во второй гипотезе Томсон обращается к электростатической силе, считая, что пространство, в котором собраны электроны, образующие атом, способно действовать так, как если бы оно имело положительный заряд, равный сумме отрицательных зарядов электронов.
Неясность этой гипотезы составляет её основное достоинство — её трудно опровергнуть. Но она не позволяет понять, как устроен атом.
Томсон и другие учёные стремились уточнить эту модель и получили много интересных результатов. Предлагали ещё ряд моделей, но и они, как этого следовало ожидать от любого построения, основанного на гипотезах, не выдерживали проверки опытом. Всё это были симптомы глубокого кризиса физики начала прошлого века.
Трагедия одного из величайших физиков — Больцмана — показывает, как сложно обстояли дела в мире физики. Больцман покончил с собой. Он отчаялся в своей борьбе за материалистическое понимание явлений природы.
Решающий шаг внутрь атома сделал Резерфорд. Он обстрелял мишень из тонкой металлической фольги узким пучком альфа-частиц и… поразился! Наблюдения за дальнейшим поведением альфа-частиц заставили его сделать однозначный вывод: «Положительный заряд, связанный с атомом, сконцентрирован в крошечном центре, в ядре, а компенсирующий отрицательный заряд распределён в сфере с радиусом, сравнимым с радиусом атома».
Расчёты показали, что радиус ядра сравним с величиной, принятой тогда для радиуса электрона, а радиус атома превосходит его примерно в сто тысяч раз и составляет около стомиллионной доли сантиметра.
