В других экспериментах само время становилось стимулом. Собака получала пищу через каждые тридцать минут. При отмене кормления собака все равно усиленно выделяла слюну каждые тридцать минут. «Я убежден, — говорил Павлов не без помпы, — что именно на пути такого экспериментирования лежит решение проблемы времени, которая занимала умы многих поколений философов».
Нервное устройство собак было настолько сложным, что их можно было научить различать вращение предмета по часовой и против часовой стрелки, круг и эллипс, чувствовать, когда метроном отбивает два раза в минуту, 96 или 104 раза. Они могли отличить две соседние ноты на музыкальной шкале, ощущать интервал между нотами до и фа любой из пяти октав органа, а также видеть оттенки серого.
Для таких экспериментов важен контекст. Если собака изучает новый рефлекс сидя на полу, то, устроив ее на столе или введя нового экспериментатора, можно потерпеть неудачу, опыт не получится. Необходимо тщательно избегать всего, что может отвлечь внимание собаки. Чьи-то шаги, случайные разговоры в соседних комнатах, хлопанье дверью, вибрация от проехавшего грузовика, шум улицы, даже тени, проникающие с улицы через окно, — любой из этих случайных стимулов, попадающий на рецепторы собаки, создает возмущение в полушариях головного мозга и мешает эксперименту.
Собаки Павлова были так же чувствительны, как и интерферометр Майкельсона. С целью убрать все возможные помехи Павлов решил построить «башню тишины» наподобие сейсмологических лабораторий. Здание было окружено рвом, заполненным соломой, — она предназначалась для амортизации вибраций, а на первом и третьем этажах (второй этаж был пустым, нежилым) находились звуконепроницаемые лабораторные камеры, разделенные коридорами. Экспериментаторы наблюдали за собаками дистанционно, через специальные перископы, которые, по выражению одного из посетителей, «заставляли вспомнить о подводной лодке, готовой к бою».
Историк Даниэль Тодес назвал это сооружение «физиологической фабрикой Павлова», образцом для будущей экспериментальной науки. Здесь было проведено множество блестящих экспериментов, однако один из них оказался настолько неожиданным, что заслуживает специального рассмотрения.
Павлов и его сотрудники уже показали, что у собаки есть базовые музыкальные способности. Наученная выделять слюну при звучании определенного тона, например ля минор, она будет реагировать, хотя и не так сильно, на каждую отдельную ноту. Ученые пошли дальше — они решили проверить, способна ли собака различать простейшие мелодии.
Как только звучали четыре ноты подряд по восходящей шкале, собака получала немного еды.
После четырех нот в нисходящем порядке собака не получала ничего. Животное быстро научилось отличать эти мелодии. Но Павлова интересовало, как собака отреагирует на 22 других возможных сочетания этих же четырех нот.
И вот были сыграны все мелодии и собрана выделившаяся слюна. Собака разделила прозвучавшие мелодии на две группы: в первой звуки располагались по восходящей, а во второй наблюдался обратный порядок. Без преувеличения можно сказать, что собаке стали доступны какие-то зачаточные музыкальные понятия. Такой тип распознавания образов, по мнению Павлова, лежит в основе даже той деятельности, которую он совершал как экспериментатор.
Движение растений к свету и поиски истины с помощью математического анализа — явления одного порядка. Это последние звенья в почти бесконечной цепочке адаптаций, которую можно наблюдать в любом живом существе, считал он.
Павлов, как и многие другие ученые, создатели фундаментальных теорий, любил иногда помечтать, и в такие минуты он пытался объяснить характеры своих собак и человеческие неврозы как некую совокупность условных рефлексов. Между тем в Соединенных Штатах Джон Б. Уотсон и Б.Ф. Скиннер разработали бихевиористскую психологию, в которой все ментальное сводилось к стимулу и реакции на него. В результате появились два противоречащих друг другу взгляда на будущее. В романе Скиннера «Вальден-2» изображено общество, в котором главенствует бихевиористская инженерия. В романе Олдоса Хаксли «О дивный новый мир» аналогичный инструментарий используется государством для насаждения жесткой диктатуры. Однако ни то ни другое, к счастью, не сбылось. Не так давно появление компьютера и использование этого понятия как метафоры дало ученым новый стимул порассуждать о механизмах мышления. Однако фундаментальные выводы Павлова, гласящие, что мозг и центральная нервная система образуют точную высокоадаптивную живую машину, и сейчас не потеряли своей актуальности и по-прежнему продолжают служить ученым.
Уже в старости Павлов получил в подарок от своих студентов альбом с фотографиями сорока его собак. Одна из копий альбома обнаружилась в Санкт-Петербурге усилиями ученого из лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Он использовал методику Павлова в опытах с фруктовой мушкой, чтобы определить ген, ответственный за долгосрочную память. Различных мутантов он называл «мушками Павлова», давая им клички знаменитых павловских собак.
В 1935 году на территории института был открыт памятник собаке Павлова, представлявший собой декорированный фонтан. В центре фонтана — постамент, на котором восседает большая собака. Постамент украшен барельефами со сценами из лабораторной жизни и поясняющими подписями, а также словами Павлова: «Пусть собака, помощница и друг человека с доисторических времен, приносится в жертву науке, но наше достоинство обязывает нас, чтобы это происходило непременно и всегда без ненужного мучительства».
Сверху постамент украшен головами восьми собак разных пород, из их пасти льется вода — собаки словно салютуют нам слюноотделением.
Мы уже приблизились к тому рубежу, где материя переходит в силу, а сила в материю, к тому туманному миру, что отделяет Известное от Неизвестного, которое всегда меня особенно влекло. Я осмеливаюсь думать, что величайшие научные проблемы будущего найдут свое решение здесь, на этом рубеже и даже за его пределами, ибо мне кажется, что именно там лежат Подлинные Сущности — неуловимые, многозначные, прекрасные.
Субботним январским утром, разыскивая последний прибор, который мне был нужен, чтобы убедить себя в существовании электронов, я отправился в «Черную дыру» — такую «постапокалиптическую помойку» Лос-Аламоса, штат Нью-Мехико. Командовал этим складом, превращенным в магазин, некто Эдвард Б. Гротус, бывший творец атомной бомбы, а ныне престарелый борец за мир и заодно владелец этого помещения, забитого сверху донизу осциллоскопами, генераторами сигналов, счетчиками Гейгера, вакуумными насосами, центрифугами, амперметрами, омметрами, вольтметрами, сосудами для хранения низкотемпературных жидкостей, муфельными печами, термопарами, барометрами, трансформаторами, пишущими машинками, древними арифмометрами, — всего более 15 соток, заполненных «мусором», накопленным с годами в результате деятельности национальной лаборатории, той самой, где когда-то начинался Манхэттенский проект.
Уже много лет я приобретал на интернет-аукционе все, что мне было необходимо для повторения классических экспериментов: опытов Дж. Дж. Томсона в 1897 году, показавших, что электричество — это часть отрицательно заряженной материи, а также знаменитого эксперимента Милликена с распылением масла, в результате которого удалось изолировать электроны и измерить их заряд. Изучая «закрома» «Черной дыры», я наконец обнаружил то, что искал, — источник высокого напряжения компании «Флюк». Я аккуратно поставил эту 12-килограммовую штуковину на бетонный пол. Работавший на электронных лампах прибор, созданный в 60-е годы XX века, имел вполне привлекательный вид. Я потащил его в глубь магазина, где лежали и висели всевозможные коаксиальные кабели, нашел тот, который совпадал с источником по разъему, и отправился к кассе.
Похоже, Эд совсем не собирался продавать что-либо из своих сокровищ. Он скорее был готов воздвигнуть пару монументов, чтобы озадачить археологов будущего, которое наступит после грядущего холокоста, или поговорить о своей Первой церкви высоких технологий, где по воскресеньям совершает «критическую массу» (мессу). И когда очередной клиент разыскивал его в недрах этого магазина-логова, Эд всегда выглядел недовольным. Вот и сейчас я услышал: «За это — двести пятьдесят долларов», — ровно в десять раз больше, чем я предполагал.
Я пытался его урезонить. В интернет-магазине я видел один очень похожий источник питания всего за 99 долларов. Однако торговаться с Эдом было бесполезно. Разочарованный, я потащил прибор обратно на то место, где он, возможно, покоится до сих пор, и ушел, купив лишь отрезок кабеля. Затем я зашел в публичную библиотеку, которая находится рядом с ресторанчиком «Фуллерлодж», где частенько бывали Оппенгеймер и другие физики-ядерщики, соединился с интернетом, оформил заказ и через две недели у меня дома уже был другой такой же источник питания.
В 1896 году Роберт Милликен, молодой выпускник Колумбийского университета с докторским дипломом в кармане, оказался на лекции Вильгельма Рентгена. Лекция сопровождалась демонстрацией полученных им изображений костей руки. Лекция та была прочитана на январской сессии Германского физического общества. Милликен был потрясен увиденным и услышанным как ребенок, столкнувшийся с чудом, и позже, вспоминая тот день, даже перепутал дату и написал, что лекция состоялась накануне Рождества.
Двумя годами ранее, в Соединенных Штатах, он слышал, как великий Майкельсон утверждал, что физика еще далека от своего завершения. Законы движения и оптики прочно заняли свое место, а уравнения Максвелла накрепко связали электричество и магнетизм той нитью, что пряли Фарадей и его современники, Генрих Герц, проверяя теорию Максвелла, показал, что радиоволны могут отражаться, преломляться, фокусироваться и поляризоваться и что они являются лишь одним из вариантов света. Но здесь было новое, совершенно неожиданное явление — рентгеновские лучи!
Милликен был счастлив оттого, что прежние воззрения оказались ложными. «Нам не удалось ни к чему приблизиться в исследованиях глубин Вселенной, даже в вопросе о фундаментальных физических принципах, как нам думалось раньше».
Рентген совершил свое удивительное открытие, исследуя светящуюся точку, которая возникает в конце вакуумной стеклянной «разрядной трубки», когда достаточно высокое напряжение подается на две металлические пластины внутри нее — отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод (эти термины появились благодаря Фарадею). Проходящие через разреженный воздух, эти катодные лучи оказались весьма загадочными. Если внутрь этой лампы поместить препятствие — химик и медиум Уильям Крукс для этой цели использовал мальтийский крест, — то его тень появится на флюоресцирующем стекле; это означает, что лучи, как пуля, движутся по прямой. Если рядом с трубкой разместить магнит, то пучок сместится вбок. Если внутрь трубки поместить драгоценный камень, то он начнет флюоресцировать. Кроме того, эти лучи представляли собой поток вещества, которое вращало крохотную крыльчатку в лампе. Крукс объявил: «Теперь физикам известны четыре состояния вещества — твердое, жидкое, газообразное и лучистое.»
Рентген обнаружил еще большую странность: если пучок ударяет в конец трубки с достаточной силой, то возникает совершенно иное излучение, достаточно мощное для того, чтобы проникать сквозь плоть. Не прошло и года, как Анри Беккерель обнаружил в Париже еще одну форму проникающих лучей, испускаемых кусочками урана, проходящих через непрозрачный экран и оставляющих след на фотопластине. Вскоре стало ясно, что оба типа излучения могут ионизировать газ и наделять его электрическим зарядом. Теперь мы знаем, что это происходит потому, что обнаруженные лучи выбивают электроны из атомов.
Вернувшись из Европы, чтобы приступить к работе в Чикагском университете, где в то время царствовал Майкельсон, Милликен издалека наблюдал за работами некоторых величайших европейских ученых, увлеченных новой физикой. В Кавендишской лаборатории Кембриджа Дж. Дж. Томсон показал, что пучок можно отклонять не только магнитом, но и сильным электрическим полем. Герц неудачно провел эксперимент, в котором пучок проходил между параллельными пластинами внутри вакуумной лампы. Когда на пластины подавалось напряжение от электрического элемента, пучок не смещался. Герц решил, что эти лучи — нематериальные возмущения эфира. (Урок Майкельсона-Морли все еще не был усвоен.)
Томсон подозревал, что Герц недостаточно откачал воздух из лампы и оставшиеся молекулы закорачивают пластины так, словно они оказываются под дождем. При более высоком вакууме он смог подтолкнуть пучок в сторону положительного полюса — серьезное указание на то. что катодные лучи состоят из отрицательно заряженного вещества, частиц электричества, или электронов.
Я не собирался покупать установку Томсона, но красота эксперимента настолько соблазнила меня, что я не устоял: в простой деревянной рамке установлена сферическая вакуумная трубка с заострениями, а большие медные катушки Гельмгольца (названы так в честь немецкого физика Германа фон Гельмгольца) крепятся по бокам. При расстоянии между ними, равном их радиусу (15 см), они создавали равномерное магнитное поле, в котором оказывалась трубка. Прибор был изготовлен в Германии для демонстрации на уроках физики, и посеревшее и потрескавшееся покрытие электрических клемм позволяло предполагать, что сделали его в 60-е годы прошлого века.
Никакого руководства не было, а вместо него оказался толстый лист чертежной бумаги, на котором кто-то цветными карандашами изобразил схему включения прибора: для разогрева металлического катода и выброса электронов, ускоряющихся значительно большим напряжения на аноде, подавалось напряжением 6,3 В. Третий источник тока должен был питать катушки Гельмгольца. Я подсоединил провода к моему источнику питания и выключил свет.
Зрелище было жутковатым. По мере того как я увеличивал напряжение на аноде, вокруг катода собиралось зеленоватое облако в форме яблока, оно росло и наполнялось светом до тех пор, пока при 160 В тонкий как волосок синий луч «выстрелил» из самой сердцевины и ударил в верхнюю часть стекла. Настоящий джинн в бутылке! Каким страшным это все должно было казаться Круксу и другим пионерам электронно-лучевых приборов! Некоторым чудилось, что они видят эктоплазму, ту самую субстанцию, появляющуюся из отверстий в теле медиума во время спиритического сеанса. Поднеся стержневой магнит к стеклу, я заставил джинна искривиться. Черный полюс отклонял пучок на меня, а красный — отталкивал.
Теперь пришла пора подать напряжение на катушки. Я стал потихоньку вертеть ручку, и при напряжении 3,5 В и токе 0,76 А пучок закрутился по часовой стрелке и образовал сияющий круг внутри трубки. Если анод старался толкать электроны строго вверх, то магнитный ветер сносил их в сторону — две силы встретились под прямым углом и, как понял Томсон, результат этой борьбы зависит от массы частиц и их заряда. Эксперимент не мог ему дать ни одной из этих величин (потому что легкие, слабо заряженные частицы будут вести себя так же, как и тяжелые частицы с большим зарядом). Но соотношение величин определить можно.
Я подставил свои величины — анодного напряжения, тока на катушках, радиуса мерцающего круга — в его уравнение и произвел вычисления. Получилось 2,5 х 108 кулона на грамм (единица электрического заряда «кулон» была названа в честь французского ученого Шарля Огюстена Кулона, она приблизительно равняется количеству электричества, проходящему ежесекундно через 100-ваттную лампочку). Я получил итоговую величину примерно на 50 % больше общепринятой, но был доволен тем, что хоть количество нулей в результате совпало.
Более важным было то, что Томсон собирался показать, а именно: отношение заряда и массы частиц луча не зависит ни от конкретного газа в трубке, ни от металла, из которого сделан катод. Это означает, что, независимо ни от чего, луч будет состоять из одного и того же вещества.
И каким же странным было это вещество! Отношение заряда к массе уже было измерено для занимающего самое высокое место в периодической таблице атома водорода, когда он перетекал от полюса к полюсу электролитического элемента. Для электрона эта величина была почти в тысячу раз больше. Либо у него должен быть огромный заряд, либо, как предполагал Томсон, он несоизмеримо меньше атома. Интуиция подсказывала Томсону, что он открыл нечто невообразимое — субатомную частицу.
Шел 1906 год, и Милликен чувствовал себя как человек, утративший почву под ногами. К этому времени он уже десять лет провел в Чикаго, но оставался всего лишь доцентом. Правда, он считал себя хорошим преподавателем, и недаром его учебники хорошо продавались. Однако ему исполнилось тридцать восемь — возраст вполне зрелый для физика, — а он не сделал еще ни одного большого открытия!
Милликен знал, что впечатляющий эксперимент Томсона не дал ответов на все вопросы. Под найденное соотношение подпадало очень много значений заряда и массы. Такая неопределенность не могла развеять скептицизм немецких ученых, по-прежнему считавших, что электричество — это эфирные волны. Чтобы разрешить этот вопрос, нужно было найти хотя бы одну величину из соотношения Томсона, то есть либо массу, либо заряд электрона.
Милликен начал с повторения эксперимента, в котором один из ученых группы Томсона в Кавендишской лаборатории определил время, за которое заряженный туман из водяных паров, ионизированный либо рентгеновскими лучами, либо излучением радия, полностью оседает на стенках герметичного сосуда. Туман находился между двумя металлическими пластинами, подключенными к полюсам гальванического элемента. Заметив, как скорость осаждения пара меняется в зависимости от величины электрического поля, можно определить общий заряд облака. Если же величину этого заряда разделить на количество заряженных частиц, которые, по вашему предположению, содержатся в облаке, можно рассчитать примерную величину заряда одного электрона.
Этот метод, использующий так называемую камеру Вильсона, не устранял неопределенность и возможность разных интерпретаций. Пар возникал постоянно, верхний край облака был неровным и нечетким, отчего наблюдение за его движением было делом весьма нелегким. Милликен увеличил напряжение в надежде устойчиво зафиксировать мишень между положительным и отрицательным полюсами. Тогда удастся, полагал он, измерить скорость испарения и учесть ее в дальнейших расчетах.
Вместо этого после включения рубильника облако исчезло, и эксперимент не получился. По крайне мере, так казалось до тех пор, пока ученый не заметил, что несколько водяных капель остались висеть в воздухе. Значит, их вес и заряд оказались такими, при которых сила притяжения полностью уравновешивалась действующим в противоположном направлении электрическим полем.
Милликен понял, что это позволит поставить более точный эксперимент. Вместо того чтобы изучать поведение целого облака капель в массе, он сможет наблюдать капли по одной. Глядя через небольшой телескоп, установленный на расстоянии чуть более полуметра от установки, он выберет зависшую каплю, а затем выключит электричество! С хронометром в руке он рассчитывал время падения капли между отдельными делениями окуляра телескопа. Час за часом он записывал результаты, сравнивая примерный вес капли и количество заряда, необходимое для ее удержания. Как сообщал Милликен, результаты всегда были 1, 2, 3, 4 или любой другой целый множитель минимального заряда, который когда-либо измерялся для минимальной капли». И действительно, заряд увеличивался равными порциями, которые, по его расчетам, равнялись 1,55 х 10-19 кулона.
В сентябре 1909 года он отправился в Виннипег, чтобы доложить результаты своих опытов, которые он считал предварительными, на заседании Британский ассоциации содействия науке. Вступительную речь произнес сам Томсон, а Эрнст Резерфорд — ему только что была вручена Нобелевская премия — прочел лекцию о состоянии атомной физики, отмечая, что при всех успехах последнего времени «обнаружить отдельный электрон пока не удалось». Тогда Милликен, который не был даже заявлен в повестке дня, удивил многих, заявив, что он уже близок к решению этой задачи.
Возвращаясь в поезде домой, он размышлял, как сделать его эксперимент более убедительным. Из-за испарения каждая капля живет всего несколько секунд. Если бы капля жила минуты или даже часы, то можно было бы регулировать напряжение в более широком диапазоне. Поскольку в это время он любовался равнинами Манитобы[5], то ответ, как он впоследствии вспоминал, пришел мгновенно.
По приезде в Чикаго он попросил Харвея Флетчера, который тогда искал тему для докторской диссертации, посмотреть, можно ли экспериментировать не с каплями воды, а с каплями других, более «живучих» жидкостей. Приобретя секундомер и понаблюдав в соседней аптеке за поведением масла, Флетчер стал собирать установку для эксперимента: две круглые латунные пластины (причем в верхней он посредине просверлил отверстие) устанавливались на лабораторном столе и подсвечивались ярким светом сбоку. Над установкой он распылял масло и наблюдал за ним в телескоп. Впоследствии он говорил, что это было незабываемое зрелище:
Пространство было усыпано крохотными звездочками всех цветов радуги. Более крупные капли вскоре упали на дно, а маленькие оставались в воздухе почти минуту. Они исполняли невероятно замысловатый танец.
На следующее утро Флетчер вкатил в лабораторию большую батарею гальванических элементов, способных дать одну тысячу вольт, и подсоединил их к латунным пластинам. Увеличивая ток, он восхищенно наблюдал за тем, как отдельные капли подпрыгивали вверх, а другие опускались вниз. Трение о сопло пульверизатора придавало им то положительный, то отрицательный заряд. Увидев, как хорошо сработал его план, Милликен пришел в восторг. Вместе с Флетчером он усовершенствовал установку и каждый вечер все последующие полгода проводил в лаборатории, накапливая данные.
Моя установка, спроектированная и созданная бирмингемской компанией Phillip Harris, представляла собой упрощенную версию установки Милликена, однако идея Милликена реализовалась в ней без каких-либо изменений. Латунные пластины были установлены внутри покоящейся на трех ножках плексигласовой платформы, смонтированной на твердом деревянном брусе размером примерно 40 х 50 см. Сбоку располагался источник освещения — металлический корпус, покрашенный в серый лабораторный цвет и снабженный фокусирующей линзой. Английских ламп у меня не было, но я смог найти поместившуюся в этот корпус галогеновую лампу, для которой потребовался адаптер.
Для наблюдения за пляшущими каплями у меня был телемикроскоп (что-то среднее между телескопом и микроскопом), оснащенный окуляром с измерительной сеткой. Для подачи напряжения имелся рубильник. В верхнем положении напряжение подавалось на пластины (надпись на черном шильдике гласила: «Не превышать 2000 В!»). В нижнем положении происходило замыкание, и заряд рассеивался. И вот, разобрав установку и очистив ее от пыли и осевшего за тысячи студенческих демонстраций масла, я был готов к проведению своего собственного эксперимента.
Я зарядил обычный парфюмерный пульверизатор вазелиновым маслом и впрыснул его в камеру поверх верхней латунной пластины. Потом подождал, пока несколько капель не опустятся через крохотное отверстие в пластине. Капли выглядели, скорее, как пылинки в снопе солнечного света, а не как маленькие звездочки. Однако их воздействие было гипнотическим. Я отобрал ту, которая падала плавно и прямо, и включил напряжение. Если бы она неожиданно устремилась вверх, это означало бы, что у нее есть заряд. Двигая рубильник вверх и вниз и регулируя напряжение, я засекал время подъема и падения капель между делениями измерительной сетки окуляра — 4,2 секунды вниз, 2,6 секунды вверх… 6,8 секунды вверх… 7, 1 и 2,2…8,1 и 3,3.
Мне это стало нравиться, но, чтобы правильно проводить эксперимент, требовалось выделять одну каплю и долго наблюдать разброс во времени подъема, который сигнализирует об отдаче или захвате электрона каплей. Когда я накопил данные измерений для десятка капель и примерно определил их массу (по уравнению, которое известно как закон Стокса), мне удалось рассчитать, чему равна единица заряда.
Это только в учебниках по физике все выглядит так просто. Там нет упоминания о том, что между латунными пластинами может произойти короткое замыкание или что они могут искрить оттого, что съехала контактная клипса. Молчит учебник и о том, что можно выпустить из пульверизатора слишком много масла и тогда отверстие в пластине забьется. Я уже не говорю, как легко перепутать капли или принять за каплю соринку в своем глазу.