Оппенгеймер иногда оказывался не способен самостоятельно довести исследования до самых сокровенных глубин. Для этого требовалась та прочная – даже грубая – сердцевина личности, которая была у столь разных людей, как Нильс Бор и Эрнест Лоуренс, но Оппенгеймеру не посчастливилось ее иметь. По-видимому, он был предназначен для другой работы: пока что его делом стало построение той школы теоретической физики, о которой он мечтал.
3 июня 1920 года Эрнест Резерфорд читал в лондонском королевском обществе свою бейкеровскую лекцию [660] [661]. Этой чести он удостоился уже во второй раз [662]. Он воспользовался этой возможностью для подведения итогов существовавшего на тот момент понимания «ядерной конституции» и обсуждения успешного преобразования атома азота, опубликованного годом раньше; такой возврат к прошлым результатам был обычным делом для подобных публичных церемоний. Но, кроме того, в его лекции была еще одна, нетрадиционная и провидческая, часть – рассуждения о возможности наличия третьего после электронов и протонов основного компонента атома. Он говорил, что «…предполагается возможность существования атома с массой 1 и нулевым зарядом ядра» [663]. Такая атомная конструкция, по его мнению, была вполне возможна. Речь должна была идти, как он предполагал, не о новой элементарной частице, а о сочетании частиц уже существующих, электрона и протона, прочно связанных вместе и образующих единую нейтральную частицу.
«Такой атом, – продолжал Резерфорд со своей обычной проницательностью, – обладал бы весьма своеобразными свойствами. Его внешнее поле было бы практически равно нулю повсюду, за исключением области, прилегающей непосредственно к ядру, благодаря чему он мог бы проходить свободно через вещество. Существование таких атомов, вероятно, трудно было бы обнаружить с помощью спектроскопа, и их невозможно было бы сохранять в герметически закрытом сосуде». Такими могут быть особенности этого атома. А вот какими он может обладать исключительно полезными свойствами: «С другой стороны, они должны легко проникать в недра атома и могут либо соединяться с ядром, либо распасться под действием интенсивного поля ядра…» [664] Если бы такие нейтральные частицы – нейтроны – существовали, они могли бы оказаться самым мощным из всех средств изучения атомного ядра.
Ассистент Резерфорда Джеймс Чедвик [665], присутствовавший на этой лекции, не со всем в ней был согласен. Чедвику было двадцать девять лет. Он учился в Манчестере и приехал оттуда в Кембридж вслед за Резерфордом. Он уже успел добиться многого – в молодости, как пишут двое из его коллег, его достижения «мало чем уступали достижениям Мозли» [666], – но всю Первую мировую войну он провел в немецком лагере для интернированных, который не только подорвал его здоровье, но и смертельно ему наскучил. Теперь он горел желанием заняться новой работой в ядерной физике. Получить нейтральную частицу было бы чудесно, но Чедвику казалось, что Резерфорд сделал вывод о ее существовании на довольно шаткой основе.
Той же зимой он убедился в своей ошибке. Резерфорд пригласил его участвовать в работе по применению результатов, полученных в экспериментах по превращениям азота, к более тяжелым элементам. Чедвик усовершенствовал методику подсчета сцинтилляций, разработав микроскоп большей светосилы и введя более строгую методику. Кроме того, он знал химию и помог устранить возможность загрязнения водородом – Резерфорд все еще беспокоился, что этот фактор может поставить под сомнение результаты, полученные на азоте. «Но, кроме того, я думаю, – говорил Чедвик много лет спустя в мемориальной лекции, – ему нужна была компания, чтобы кто-то разделял с ним скуку подсчетов в темноте – и слушал его энергичное исполнение гимна “Вперед, Христово воинство”» [667].
«До начала экспериментов, – рассказывал Чедвик в одном из интервью, – до начала наблюдений в этих экспериментах нам нужно было привыкнуть к темноте, чтобы наши глаза к ней приспособились, и у нас в комнате стоял большой ящик, в котором мы прятались, пока Кроу, личный помощник и лаборант Резерфорда, готовил установку. То есть он приносил из радиевой комнаты радиоактивный источник, устанавливал его в прибор, откачивал установку или заполнял ее, чем было нужно, устанавливал разные источники и вообще делал все, о чем мы до этого договорились. А мы сидели в темной комнате, в темном ящике, в течение получаса или около того и, естественно, разговаривали». Помимо всего прочего они разговаривали и о бейкеровской лекции Резерфорда. «И вот именно тогда я понял, что эти наблюдения, которые я считал совершенно ошибочными и которые потом и оказались ошибочными, на самом-то деле не имели никакого отношения к его предположению о существовании нейтронов. Он просто прицепил к ним это предположение. Потому что он уже довольно давно об этом думал».
Большинству физиков вполне хватило бы по видимости законченной симметрии системы из двух частиц, отрицательной и положительной, электрона и протона. Вне атома – например, среди лишенной электронов, ионизованной материи, образующей пучок в разрядной трубке, – двух элементарных составляющих атома вполне хватало бы. Но Резерфорда интересовало, как устроены элементы. «Он постоянно задавался вопросом, – продолжает Чедвик, – о том, как построены атомы, как вообще можно… а в то время было принято считать, что атомное ядро состоит из протонов и электронов… как вообще можно собрать большое ядро с большим положительным зарядом. И пришел к выводу, что для этого нужна нейтральная частица» [668].
У всех элементов периодической системы, за исключением только водорода, от самых легких до самых тяжелых, атомный номер – то есть заряд ядра и число протонов в нем – отличается от атомного веса. Атомный номер гелия равен 2, а его атомный вес – 4; атомный номер азота равен 7, а его атомный вес – 14, причем дальше это расхождение все более увеличивается. Для серебра эти значения равны 27 и 107; для бария – 56 и 137; для радия – 88 и 226; для урана – 92 и 235 или 238. Существовавшая в то время теория предполагала, что это различие вызвано присутствием в ядре дополнительных протонов, прочно связанных с электронами, которые нейтрализуют их заряд. Но ядро имеет определенный максимальный размер, точно измеренный в экспериментах, и оказывается, что по мере увеличения атомного номера и атомного веса в ядрах элементов остается все меньше и меньше места для всех этих дополнительных электронов. Эта проблема еще более усугубилась в связи с развитием в 1920-х годах квантовой теории, из которой следовало, что удержание таких легких частиц, как электроны, в такой плотной конфигурации требует огромных энергий, которые должны были бы проявляться при возмущениях ядра – но никогда не проявлялись. Единственным признаком существования электронов в ядре было испускание из него бета-частиц, то есть
