Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц - Сьюзи Шихи Страница 13

Эти радиоактивные элементы естественным образом содержатся в горных породах, в воздухе, почти везде. Гранит вашей кухонной столешницы может содержать уран, торий и продукты их радиоактивного распада. Некоторые элементы, такие как калий (химический символ K), имеют как стабильные, так и нестабильные изотопы и различаются по атомной массе, поскольку их ядра имеют разное число нейтронов, которое может быть больше или меньше числа протонов. Изотопы одного и того же элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами. Например, большая часть калия представляет собой стабильный изотоп К-39, но 0,0012 % приходится на изотоп К-40, который содержит один дополнительный нейтрон, испускающий в основном бета-излучение (электроны) с периодом полураспада 1,3 миллиарда лет. Это означает, что даже бананы, технически, радиоактивны. Однако доза облучения мизерна, и вам пришлось бы съесть 5 миллионов бананов за один присест, чтобы почувствовать ее вредные последствия. Наши собственные тела тоже неизбежно содержат эти изотопы. Мы все радиоактивны.

Сегодня мы полагаемся на природные радиоактивные элементы во многих технологиях, от датчиков дыма (где америций, источник альфа-частиц, создает небольшой ток, который отключается при появлении дыма) до радиоактивных источников, опускаемых в глубокие скважины и используемых для определения состава окружающей породы. Этот метод, известный как каротаж скважин, стимулирует гамма-излучение элементов в породе и позволяет с минимальными затратами оценить, есть ли нефть, газ или иные ценные продукты глубоко под землей. Другие радиоактивные источники уже много лет используются для лечения рака и стерилизации почты, особенно после того, как в 2001 году были предприняты попытки отравить письма сибирской язвой, – теперь правительственная почта США стерилизуется с помощью радиации[47].

Использование естественной радиоактивности в других сферах жизни общества – неотъемлемая часть нашего мира, и легко забыть, что ее не существовало до открытий Резерфорда, Содди, Брукс, Гейгера и Марсдена. Чтобы убедиться в этом, достаточно заглянуть в Манчестерский музей, расположенный всего в нескольких шагах от старой лаборатории Резерфорда. В нем нет никакого старого физического оборудования, но представлено много окаменелостей (в том числе огромный скелет тираннозавра по имени Стэн). Репродукция огромной корневой системы дерева из верхнего каменноугольного периода с табличкой, указывающей, что дереву 290–323 миллиона лет. Плезиозавр, который был найден в Северном Йоркшире группой студентов университета, – его окаменелые кости возрастом 180 миллионов лет выставлены в огромном стеклянном ящике. Легко предположить, что у нас всегда были методы определения возраста окаменелостей, горных пород и древних артефактов, но, как мы помним по разговору Резерфорда с геологом профессором Адамсом, это не так. Основная причина, по которой мы объективно знаем возраст практически любого исторического объекта, заключается в наших знаниях о радиоактивности.

После открытия Резерфордом ядра атома физикам потребовалось время, чтобы понять ядерную физику и то, почему периоды полураспада разных атомов различаются. В то же время открытие многих нестабильных атомов с различными периодами полураспада в природе дало нам широкий спектр инструментов и методов, позволяющих датировать не только окаменелости, но и практически все, что угодно. Невозможно перечислить все, о чем мы знаем благодаря радиометрическому датированию, но давайте рассмотрим несколько примеров.

Мы знаем, что Туринская плащаница – средневековая подделка[48], и можем датировать свитки Мертвого моря. Мы знаем, что Homo sapiens мигрировали из Африки не единожды, а в течение нескольких периодов[49], и мы знаем, как они распространились по всему земному шару, потому что можем датировать человеческие останки – например, останки возрастом 14 300 лет, найденные в пещере в Орегоне[50]. В археологии мы можем не только локально установить временную шкалу для объектов, но и сравнить их в разных странах и даже на разных континентах, чтобы восстановить доисторическую эпоху нашего мира. Мы можем определить возраст льда в 1,5 миллиона лет[51], чтобы понять древний климат по ледяным кернам. Благодаря радиометрическому датированию мы знаем, когда динозавры бродили по Земле, и знаем дату падения астероида, который уничтожил их 65 миллионов лет назад[52]. Углубляясь в прошлое, мы можем идентифицировать первые свидетельства окаменелостей, которые могли быть животными, – разновидность древней морской губки, найденной в породах возрастом 665 миллионов лет в формации Трезона на юге Австралии[53].

Это знание составляет огромную часть культурного и исторического контекста нашей жизни и нашего вида. Мы можем точно сопоставить все эти истории не только потому, что способны сравнивать слои горных пород и скелеты друг с другом, но и потому, что атомы самопроизвольно распадаются на другие атомы. Потому, что Резерфорд, его команда и другие ученые после него разработали и усовершенствовали эти методы. Стремление понять мельчайшие объекты в природе в то время могло показаться незначительным разделом физики, но оно стало основой для нашего понимания культуры, искусства, геологии и нашего места в мировой истории.

И опять причина тому – простые эксперименты нескольких ученых, которые привели к новым знаниям: в основе самой материи лежит крошечное ядро. Это открытие также породило множество вопросов, которые были важны для дальнейшего рассмотрения. Как удерживается ядро? Как электроны остаются в атоме? Первые ответы на эти вопросы пришли из начала квантовой механики, рожденной в результате экспериментов, направленных на изучение природы света и его взаимодействия с материей. Со временем физика превратилась в область все возрастающей сложности, и простые эксперименты, которые так любил Резерфорд, уже не могли раскрыть секреты атома. Даже радиоактивные вещества, обнаруженные в природе, не казались достаточно мощными или гибкими и в конечном итоге стали ограничением, а не инструментом открытия.

Технологический и теоретический прогресс начал идти рука об руку с экспериментами. Физики стали устанавливать удивительные связи между, казалось бы, несопоставимыми аспектами природы. Теперь наша история подводит нас к первому из этих сюрпризов, когда взаимодействие между светом и материей привело физиков к принятию поразительно нового взгляда на наш мир на его самом фундаментальном уровне.

Глава 3

Фотоэлектрический эффект: квант света

Что такое свет? Споры о природе света ведутся с XVII века. Сначала предполагалось, что свет подобен частице[54], объекту, движущемуся на скорости через гипотетический эфир по прямой линии, – идея, отстаиваемая Исааком Ньютоном. Другой точки зрения придерживался голландский физик Христиан Гюйгенс, крупная фигура научной революции, который открыл спутник Сатурна Титан, а затем предложил математическую основу