Охотники за частицами

И тогда американский физик Джордж Гамов вспоминает о туннельном эффекте, для которого не существует глухих заборов. Альфа-частицы просачиваются через барьер на границе ядра! И проведенный им расчет отлично подтверждается на опыте. Этот расчет произведен в конце двадцатых годов нашего века.

О «вращающихся» частицах

Неистощимые спектры! Сколько открытий принесли они физикам, химикам, астрономам! Именно из многоцветья спектров рождалась первая теория атома Нильса Бора. Именно с помощью спектров химики открыли множество химических элементов, научились производить точнейшие химические анализы. Именно спектры позволили астрономам проникнуть в бескрайние просторы Вселенной и «пощупать» строение звезд и состав межзвездных пространств.

В 1925 году спектры поднесли физикам еще одно замечательное открытие. Оно ждало своей очереди добрых тридцать лет, с тех пор как голландский ученый Питер Зееман обнаружил удивительное расщепление спектральных линий в магнитном поле.

Картина была в самом деле поразительной. Узкая яркая линия, стоило внести источник света в магнитное поле, вдруг исчезала. На ее месте, словно осколки, оказывалась группа более слабых линий. Росло поле, и линии расходились, сливаясь друг с другом. Наконец в сильном поле оставались только две или три линии.

Понятно, в чем дело, заявили физики после создания первой теории атома. Электрон кружится по орбите вокруг ядра, словно малюсенький круговой ток. И этот ток ведет себя, как крошечный магнитик. Помести его в большой магнит, и они начнут взаимно влиять друг на друга.

На большом магните влияние маленького, конечно, никак не скажется. Но на маленьком магните оно проявится совершенно отчетливо: он изменит свою энергию. Орбита электрона чуть-чуть сместится, прыжки электрона между орбитами станут чуть длиннее или чуть короче.

Этого достаточно: спектральные линии изменят свое положение. Вместо одной линии на ее месте появится ряд смежных линий.

И расчет действительно неплохо подтверждает такое представление. Неплохо — в данном случае означает лишь: очень часто, но не всегда. Иной раз и «осколки» линии не там, где им полагалось бы находиться, иной раз и число «осколков» не то, что предсказывается.

Складывается такое впечатление, что электронный магнитик временами то слишком слаб, то слишком силен. Словно есть в нем какой-то дополнительный магнитик, который то складывается с основным магнитиком, то вычитается из него.

Дополнительный магнитик? Значит, дополнительный ток? Какому же еще движению электрона должен отвечать этот ток?

Движению вокруг самого себя! Электрон вращается не только вокруг «солнца» — ядра, но и как полагается настоящей «планетке» — вокруг самого себя!

Первым в 1921 году эту мысль высказывает Артур Комптон. Она проходит незамеченной.

Вторым в январе 1925 года эту мысль высказывает Роберт Крониг. Она встречает довольно резкую критику.

Третьими в сентябре 1925 года эту мысль высказывают Джордж Уленбек и Сэмюэл Гаудсмит. Они ничего не знают о том прохладном приеме, который встретил догадку Кронига. Более того, отдав статью своему учителю, замечательному физику Павлу Сигизмундовичу Эренфесту, они через несколько дней обнаружили, что из их идеи вытекает вопиющее следствие. Скорость на «поверхности» вращающегося вокруг себя электрона должна во много раз превышать скорость света!

Да ведь это же совершеннейший абсурд! Это же запрещено теорией относительности Эйнштейна! Ученики с превеликим беспокойством бегут к учителю, перебивая друг друга, рассказывают об этом, просят обратно свою статью. А Эренфест с улыбкой отвечает: «Я уже направил вашу статью в печать. Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать глупость!»

И «глупость» совершается: статья выходит в свет. Чудесная «глупость» — побольше бы таких! Спустя два месяца заново пересчитываются зеемановские «осколки» спектральных линий с помощью добавки к электронному магнитику. И что же — теперь блестящее согласие!

Так в физику входит вращающийся электрон. «Спин» — так названо новое явление: электрон, словно крошечный волчок («волчок» — и есть по-английски «спин»).

Замечательно! Но как понимать слова о вращении электрона? Они же сказаны в то время, когда квантовая механика выбрасывает траектории электрона. Когда она заменяет орбиты «волнами вероятности» и показывает, что бессмысленно говорить о вращении электрона вокруг ядра.

А тут еще «вращение вокруг самого себя»! Да где та ось, вокруг которой вертится электрон? Нет ее. Сам электрон в те годы изображается точкой без всяких размеров, — как в таком случае понимать «вращение точки»? Никак нельзя понимать, и единственное наглядное, казалось бы, представление в атомном мире тут же теряет наглядность.

Нет, это не вращение! Похоже, но совсем не то же. Какое-то очень быстрое (но, конечно, не быстрее света, как думали Уленбек и Гаудсмит) движение электрона. В декабре 1925 года Эйнштейн высказывает мысль, что это движение должно быть объяснимо с позиций теории относительности.