Дан Медовников
Фантом электрона
Главную элементарную частицу придумали, а не открыли
Бесполезно изучать научные труды, они не только скрывают, но и активно искажают рассуждения, лежащие в основе описываемой в них работы.
Питер Медавар
Ровно 90 лет назад началась весьма любопытная и сегодня уже почти забытая история, окрещенная специалистами "битвой за электрон". В начале февраля 1908 года была опубликована первая работа никому не известного американского физика Роберта Милликена, в которой предпринималась попытка измерить элементарный электрический заряд (т. е. заряд электрона). Как ни странно, провинциальный опус начинающего исследователя был сразу отмечен, причем не кем-нибудь, а королем экспериментаторов Резерфордом. Окрыленный успехом американец решил сделать это направление делом всей своей жизни — и не прогадал. В 1924 году он получил Нобелевскую премию и навсегда вошел в историю науки как ученый, открывший для человечества заряд электрона и окончательно подтвердивший его существование.
"Прелесть! Опубликовать непременно!"
Между тем параллельно с Милликеном этой же темой занялся достаточно известный в начале века австрийский физик Феликс Эренхафт. Проводя эксперименты по другой методике и, что особенно интересно, на более точном оборудовании, он неизменно (вплоть до 40-х годов) получал результаты, противоречащие милликеновским. Ему постоянно удавалось измерять заряды меньше заряда электрона, из чего следовало, что открытый Милликеном элементарный электрический заряд не более чем экспериментальная ошибка. Уверенный поначалу в существовании электрона, Эренхафт был вынужден отказаться от главной гипотезы электрического атомизма. Развернулась нешуточная полемика, в которой приняли участие такие столпы современной физики и химии, как Планк, Оствальд, Мах, Дирак и другие. Но хотя опыты Эренхафта до сих пор никем не были опровергнуты, они через какое-то время были "забыты" научным сообществом, а имя его кануло в Лету.
Новую пикантность истории придало то обстоятельство, что ушлые историки науки раскопали лабораторные журналы Милликена. Американец относился к проведению своих опытов настолько эмоционально, что не мог удержаться от сопровождения записанных в журнал измерений заряда комментариями. Вот несколько примеров: "Прелесть! Опубликовать это непременно!", "Большая ошибка, не использовать", "Очень мало. Что-то неверно", "Это почти в точности верно и лучшее из всего, что у меня было. Опубликовать" и т. д. В одной из экспериментальных серий из 140 измерений существование элементарного заряда подтверждали только 58, т. е. меньше половины. Заметим, что часть милликеновских замеров, которые он не считал достойными публикации, подтверждали правоту Эренхафта.
Добросовестный Эренхафт был бы просто шокирован таким подходом, но внимание к милликеновским записям было привлечено уже после его смерти. Кстати, бывшие студенты физфака без труда вспомнят, что именно при проведении практикума по повторению милликеновского эксперимента чаще всего приходилось прибегать к "методу подгонки". А кроме студентов, кого еще заставишь доказывать то, что и так всем ясно?
"В мире нет ничего, кроме пустоты и атомов"
Чтобы разобраться в том, почему, мягко говоря, неоднозначные милликеновские результаты очень быстро стали классикой науки, а дотошные эксперименты Эренхафта были занесены в разряд опытов упрямого неудачника, стоит повнимательнее присмотреться к атмосфере, царившей в научном сообществе на рубеже веков.
На самом деле "битва за электрон" была только одним, хотя и очень важным, сражением в войне атомистической идеологии с феноменологизмом. Представители последнего четко следовали знаменитой ньютоновской формуле "гипотез не измышляю" и с иронией относились к возрождению демокритовского подхода в современном им естествознании. Главный идеолог феноменологизма Эрнст Мах ключевым моментом научной деятельности объявил "экономию мышления". По его мысли, ученые должны описывать мир, но не стремиться его объяснять — последнее является прерогативой философов. Неэкономно вводить в науку еще одну (атомную) гипотезу, когда уже принято допущение о существовании универсальной и непрерывной среды (эфира).
На первых порах атомистическая идеология пользовалась весьма ограниченной популярностью и окончательно утвердилась только в молекулярно-кинетической теории газов. Электродинамическая теория Максвелла была насквозь феноменологична и не нуждалась ни в каких электронах. Правда, у максвеллианцев возникли серьезные математические трудности с увязкой в одну систему уравнений Максвелла и закона Ома, но было совсем неочевидно, что преодолевать их стоит введением в стройную теорию новой сущности — элементарного электрического заряда. Тем не менее Дж. Лармор и Г. А. Лоренц независимо друг от друга вводят в электродинамическую теорию элементарный заряд, не надеясь даже с течением времени обнаружить его экспериментально (правда, Лармор все-таки "сэкономил", предпочитая интерпретировать электрон как "эфирную завихренность"). Причем и новая электронная теория и старая феноменологическая конкурируют друг с другом, успешно описывая практически весь массив известных экспериментальных фактов. Ситуация не стала прозрачной и после 1897 года, когда были проведены знаменитые опыты Дж. Дж. Томсона по отклонению катодных лучей в магнитном толе, которые уже в этом столетии были признаны научным сообществом как главное подтверждение существования электрона. Сторонники феноменологизма считали, что катодные лучи — продольные колебания эфира, а убежденный атомист Томсон уверял, что открыл "изначальный атом". Главным аргументом атомистов в полемике с противниками могло послужить то, что катодные лучи заряжены и заряд этот "квантуется". Поэтому для окончательной победы оставалось только измерить элементарный заряд, доказав, что он наименьший из всех возможных. Этим и занялись Милликен и Эренхафт.
Учитесь видеть электроны Постепенно сторонников атомизма становилось все больше. Научное "общественное мнение" обрекало упорствующих в своих феноменологических заблуждениях на изоляцию и карьерные проблемы и активно поощряло начинающих атомистов. В итоге Мах встретил смерть практически в полном одиночестве. Особенно сильным ударом для него оказалось отречение одного из самых верных сторонников, Вильгельма Оствальда, который в 1908 году публично покаялся в своем антиатомизме.
Убежденность атомистов в своей правоте была столь сильна, что, казалось, они начинают открывать в себе способность видеть электроны воочию. Милликен восклицает: "Тот, кто видел этот эксперимент, фактически видел электрон", Резерфорд умилительно рассказывал об "этих маленьких резвых плутишках, которых почти можно видеть", а некий студент так писал об одном из самых яростных борцов с антиатомизмом Жане Перрене: "Он видит атомы— в этом нет никакого сомнения, — как святой Фома видел Серафима".
В 1925 году на открытии памятника Маху Эренхафт говорил о мужестве, которым нужно обладать, чтобы выступать "с сильными аргументами против атомистического мировоззрения, которым увлеклись почти все остальные,— против той самой атомистики, которая в невидимых составляющих вещества, а в последнее время и электричества, видит волшебные ключи, способные наконец открыть все двери естествознания". известно, что научная теория прекращает существование одновременно со смертью последнего своего сторонника. Махисты (не путать с ленинским термином!) еще некоторое время пытались сопротивляться, но респектабельная наука смотрела на них с усмешкой, и выпады против атомизма могли себе позволить только такие непререкаемые авторитеты, как Эйнштейн и Шредингер, которые так и остались неудовлетворенными атомной картиной мира до конца (Шредингер даже как-то сказал, что, если дискретности суждено быть принятой в качестве основы описания микропроцессов, он предпочел бы бросить физику). Остальным пришлось научиться искусству "видеть электроны".
Теперь становится понятно, почему никому не известный Милликен сразу расположил к себе Резерфорда, а к публикациям Эренхафта и немногих его сторонников вскоре стали относиться как к чудачествам. Один из последних отзвуков "битвы за электрон" прозвучал в 1937 году, когда доцент Венского университета Альфред Штейн дал обзор военных действий с еще одним набором экспериментов Эренхафта под броским заголовком "Конец атомизма?" и подзаголовком "Эренхафт потрясает основы мироздания". В заключение Штейн отметил: "Борьба за заряд электрона все еще не завершена. Это война с тяжелыми последствиями, от исхода которой зависит существование современной физики".
Слишком человеческое занятие физикой
Современная физическая картина мира зиждется по сути на двух понятиях: элементарная частица и взаимодействие (или поле). Именно к ним сводятся объяснения всех явлений. Однако после открытия первой элементарной частицы — электрона — число их стало угрожающе увеличиваться. О какой экономии мышления может идти речь, если число первичных понятий исчисляется уже десятками и даже сотнями? Конечно, хитроумные атомисты нашли выход — была разработана кварково-глюонная модель, в которой, грубо говоря, все элементарные частицы строятся из нескольких суперэлементарных. Но вот что интересно: по условиям этой теории, кварки и глюоны по отдельности не существуют, т. е. в прямом эксперименте обнаружить можно только их соединения — те же самые элементарные частицы. Кстати, один из создателей квантовой механики Вернер Гейзенберг еще задолго до разработки теории кварков и глюонов подозревал, что физика не ограничится просто элементарными частицами и начнет искать "сверхэлементарные". Однако Гейзенберг, всегда предпочитавший Демокриту Платона, считал этот путь ошибочным.
Впрочем, Бог с ней, с современной физикой, это слишком тонкая материя. В истории с электроном гораздо интереснее другое. Тезис о том, что наука идеологизирована, редко оспаривается, когда речь идет о гуманитарных областях, а в сфере естествознания встречается в штыки. Может быть, дело в самом термине "идеология", который возник первоначально в дисциплинах, изучающих человеческое общество? Но что делать, если история физики демонстрирует, что исследование природы оказывается "слишком человеческим" занятием и члены научного сообщества насмерть стоят за ту или иную картину мира, так же как и члены общества человеческого. А образ ученого, принимающего или отвергающего ту или иную гипотезу на основе непротиворечивой экспериментальной проверки, не более чем еще один идеологический фантом.
