# Эрнест Резерфорд, его научные амбиции и журнал Nature

Эл П Яровер

Перевод с английского: Ernest Rutherford"s ambitions, Melinda Baldwin Physics Today 74, 5, 26 (2021); doi: 10.1063/PT.3.4747

Эрнест Резерфорд, его научные амбиции и журнал Nature


Перевод с английского: Ernest Rutherford's ambitions, Melinda Baldwin

Physics Today 74, 5, 26 (2021); doi: 10.1063/PT.3.4747


Введение


На рубеже 20-го века Эрнест Резерфорд (см. рисунок) был восходящей звездой в быстро развивающейся области физики радиоактивности. Работая в знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в 1890-х годах, Резерфорд открыл альфа- и бета-излучение, был соавторстором легендарного Дж. Дж. Томсоном и приобрел репутацию волшебника в разработке простых, но гениальных экспериментов. В 1898 году в возрасте 27 лет он оставил Кавендишскую лабораторию ради должности профессора Университета Макгилла в Монреале. Резерфорд продолжил свой замечательный послужной список в Канаде, публикуя статью за статьей о различных видах радиоактивного излучения .


Эрнест Резерфорд в 1908.


Но, как показывает письмо Резерфорда от марта 1901 г. его наставнику Томсону, Резерфорд был очень недоволен состоянием своей карьеры и в особенности своим местонахождением. В начале 20 века важнейшие физические лаборатории мира были сосредоточены в Европе. По сравнению с ними лаборатории в Северной Америке выглядели в лучшем случае не очень современными, а в худшем просто болотом. Резерфорд чувствовал себя изолированным и разочарованным из-за своей удаленности от мировых центров физики. "После нескольких лет, проведенных в Кавендише, я чувствую себя совсем оторванным от науки и лишенным возможности встречаться с людьми, занимающимися физикой", -говорил он Томсону. "Я думаю, что это чувство изоляции - большой недостаток колониальных назначений". Он попросил Томсона дать ему знать, если какие-нибудь позиции профессоров откроются в Великобритании. Но Томсон было нечего ему рекомендовать, и перспективы переезда были туманными.


Удаленность Резерфорда от других крупных лаборатории физики особенно беспокоила его, учитывая, насколько высока была конкуренция в области изучения радиоактивности в начале 1900-х годов. Над теми же проблемами, что и Резерфорд, работали многие другие исследователи, и он опасался, что его работы будут останутся незамеченными из-за его удаленности от европейского сообщества физиков.


Чтобы избежать этого, Резерфорд переработал стратегию своих публикаций. Он стал искать способы сделать так, чтобы его результаты попадали в печать и были замеченным коллегами в Европе быстрее, чем у конкурирующих ученых. Эти усилия Резерфорда не только обеспечили его будущее в этой области, но и привели к росту одного из самых влиятельных научных журналов 20 века, журнала Nature (Природа).


Как Резерфорд получал образование


Резерфорд родился 30 августа 1871 года на Южном острове Новой Зеландии. Он был четвертым ребенком колесного мастера шотландского происхождения Джеймса и Марты, школьной учительницы английского происхождения. Они растили своих детей в относительно отдаленном районе, но приложили все усилия, чтобы их дети получили хорошее образование. Резерфорд быстро проявил себя как талантливый студент с особой склонностью к физике и математике. В 1894 г. после

получения степени бакалавра в Кентерберийском колледже Новой Зеландии (сейчас Кентерберийский университет), Резерфорд подал заявку и выиграл стипендию от Британской короны на выставке 1851 года. Присуждаемая для поддержки докторских и постдокторских работ, эта стипендия была одной из самых престижных в Великобритании. Резерфорд закончил университет как раз в первый год, когда конкурс на получение стипендии был открыт для студентов из колоний. Он выбрал для продолжения своей карьеры работу по физике в Кавендишской лаборатории под под руководством Томсона, известного своими работами по катодным лучам.


Томсон проявил к Резерфорду особый интерес. Он и его жена, Роуз, подыскали жилье для него до его приезда. Когда Резерфорд добрался до Кембриджа, Томсон позаботился о том, чтобы познакомить молодого новозеландца по прибытии со старожилами и вновь прибывшими коллегами. Его очень заинтересовала научная работа Резерфорда, и он предложил ему поддержку и советы. В письме домой к родителям Резерфорд писал: "я восхищаюсь Томсоном так же сильно, как я и ожидал, а это о многом говорит".


Несмотря на близость к Томсону, Резерфорд не чуствовал себя комфортно в атмосфере лаборатории. Англичане, работавшие в Кавендише, относились к Резерфорду отчужденно. В своих письмах домой Резерфорд жаловался, что его подвергли остракизму и осмеянию и пытались чинить ему препятствия, например, мешать ему использовать лабораторное оборудование. Резерфорд страдал также от чувства удаленности от своей невесты Мэри Ньютон, которая проживала в Новой Зеландии.


Тем не менее Резерфорд быстро оставил свой научный след в изучении передачи и обнаружения радиоволн. Он разработал новый детектор радиоволн еще в Новой Зеландии и привез его с собой в Кембридж. Всего через шесть месяцев он подготовил доклад на эту тему для Лондонского королевского общества. Между тем, Томсон все больше и больше впечатлялся талантом своего протеже и продвигал работы Резерфорда среди своих коллег в мире физики. Хотя Резерфорд поначалу встретил холодный прием со стороны коллег, младших сотрудников, его таланты и наставничество Томсона вскоре помогли ему найти место в физическом сообществе Великобритании.


Рентгеновские лучи и радиоактивность


Время, проведенное Резерфордом в Кавендише, совпало с замечательным периодом открытий в физике. В 1895 г. немейкий физик Вильгельм Конрад Рентген заметил интересное явление во время своих экспериментов с вакуумной газоразрядной трубкой. Когда он поместил руку между трубкой и экраном, покрытым барием платиноцианида, на экране появилось изображение костей его руки. Быстро стало очевидно, что Рентген открыл новый вид излучения, и "рентгеновские лучи" стали научной и популярной сенсацией. Большинство англоязычных ученых в конечном итоге приняли предпочтительное для Рентгена название его открытия, "Икс-лучи".


Одим из многих ученых, вдохновленных откпытием нового явления был Анри Беккерель, профессор престижной Политехническая школа в Париже. Беккерель заинтересовался тем, излучают ли рентгеновские лучи также минералы, которые являются естественно фосфоресцирующие. В марте 1896 г. он сообщил Французской академии наук о необычной находке. Однажды ночью он положил предварительно подвергнутые солнечному свету кристаллы уранилсульфата калия в ящик с завернутыми в черную бумагу фотопластинками, и на следующее утро обнаружил, что на них можно было разглядеть изображение солей. Последующий эксперименты показали, что соли обладают фотографическим действием на фото пластины даже тогда, когда они не подвергались предварительному воздействию солнечного света. Это означало, что излучение, которое Беккерель назвал "урановыми лучами", не было связано с фосфоресценцией соли. Новые открытия разбудили научное воображение Резерфорда. Он и Томсон совместно работали над важной статьей "О прохождении электричества через газы, подвергающиеся воздействию рентгеновских лучей ", опубликованной в 1896 году в британском ежемесячном журнале "Философский журнал". Хотя открытие Беккереля привлекло гораздо меньше внимания ученых, чем открытие Рентгена это открытие Резерфорда больше всего, и он обратил все свое внимание на изучение загадочных излучений солей урана.,


Резерфорд был не единственным физиком, который угадал потенциал излучения солей урана. Мария Склодовская Кюри, работавшая в лаборатории своего мужа Пьера в Ecole Municipale de Physique et de Chimie Industrielles в Париже, занялась изучением урановых лучей Беккереля. Вскоре она обнаружила, что несколько материалов, из которых уран был самым известным, также испускали урановые лучи. Чтобы описать изучаемое ею явление, Мария Кюри ввела термин "радиоактивность". В 1898 году Мария Кюри и химик Гюстав Бемонт объявили о открытии двух новых элементов, полония (названного в честь родной для Мари Кюри Польши) и радия, которые были в сотни раз более радиоактивны, чем уран.


"Колониальное назначение" Резерфорда


Из парижской лаборатории Кюри следовали открытие за открытием, но и Резерфорду вскоре удалось добавить свое. В 1898 г. он открыл существование двух различных типов урановые лучей, которые он назвал "альфа" и "бета" лучами. Альфа-лучи несли положительный заряд и легко поглощались большинством веществ. Бета-лучи были отрицательно заряжены и способны были беспрепятственно проходить сквозь метал. Эксперимент Резерфорда был замечателен по своей простоте. Он покрывал кусок урана увеличивающимся количеством листочков тонкой алюминиевой фольги и проверял способность урана ионизировать газ после каждого следующего добавленного слоя. Положительно заряженные альфа-лучи не могли проходить более чем через 3 слоя фольги, а бета-лучи способны были ионизировать газ через более, чем 12 слоев.


В том же году Резерфорд получил назначение профессором физики в Университет McGill в Канаде. Назначение пришло чем-то вроде сюрприза. Несмотря на самые лучшие рекомендации Томсона, Резерфорд знал, что на это назначение будет жесткая конкуренция и не был уверен в своих шансах. У этом университете были одни из наиболее хорошо оборудованных исследовательских лабораторий в мире. Здание Macdonald Physics, в которых они размещались и которое получило международное известность за архитектуру, когда оно открылось в 1893 г., вмещало также богатую библиотеку, набор дорогого экспериментального оборудования, а также получило щедрое пожертвование в размере 150000 канадских долларов, предназначенное для оплаы его содержания. "Вероятно, будет большая конкуренция по всей Англии ", - писал он своей невесте Мэри Ньютон 22 апреля 1898 года. "Я думаю, чрезвычайно сомнительно, что я выиграю это конкурс".


Но Университет McGill выбрал кандидатуру Резерфорда, и во второй раз в своей молодой жизни он собрал свои вещи и переехал на новый континент. Он быстро возобновил свою работу по радиоактивности с помощью двух основных сотрудников: Харриет Брукс, своей первой аспирантки, и химика Фредерика Содди, который присоединился к нему в McGill из Оксфордского университета в 1900 году. Резерфорд и Брукс начали исследование частиц и лучей, испускаемых радиоактивными элементами.


Основываясь на этой работе, Резерфорд и Содди в 1903 г. опубликовали статью, показываюую, что радиоактивность является следствием атомного распада. Физики старой гвардии, такие как лорд Кельвин, отвергали идею о том, что радиоактивность может превратить один элемент в другой и говорили, что это алхимия. Но Резерфорд и Содди убедили всех, кроме самых решительных скептиков, что радиоактивные атомы действительно изменили свою элементную идентичность после испускания альфа, бета и гамма лучей. Они использовали машину для ожижения воздуха, имевшуюся в здании университета, оборудование, доступное в то время лишь немногим лабораториям, чтобы охладить эманации радия и до состояния жидкости. Резерфорд и Содди показали, что сжиженные эманации состояли из элементов, отличных от радия и тория. За эту работу Резерфорд и Содди каждый получили Нобелевскую премию по химии: Резерфорд в 1908 г. и Содди в 1921 году.


Основным недостатком работы Резерфорда в McGill было место, где был расположен университет. Хотя он нашел в Содди и Брукс продуктивных сотрудников, молодой физик чувствовал себя вдалеке от центров мировой физики. Всего дорогого оборудования было недостаточно, чтобы заменить чувство интеллектуальной общности, которое он испытывал в "Кавендише". Вскоре Брукс и Содди уехали из Монреаля в Великобританию. Резерфорд устроил для своей протеже Брукс стипендию в Кавендишской лаборатории в 1901 г., что отражало его убеждение в то, что физик должен работать в Великобритании или Европе. Брукс вернулась в Монреаль в 1903 г., но к тому времени Содди уже получил место в университетском колледже Лондона.


Интеллектуальная изоляция не была единственной недостатком "колониального назначения" Резерфорда. Он также боялся проиграть в соревновании с супругами Кюри. Он не хотел быть просто еще одним физиком, идущим по следам парижской пары в изучении радиоактивности, он хотел быть лидером. Письмо Резерфорда матери показывает его соревновательный дух и его желание опубликовать свои работы как можно быстрее: "Я должен продолжать работать, так как всегда есть люди работающие над такими же проблемами. Я должен публиковаться как можно быстрее, чтобы участвовать в гонке. Лучшими спринтерами в этой гонке являются Беккерель и Кюри в Париже, которые сделали много очень важных работ в области радиоактивности в течение последних нескольких лет".


Но возглавлять научную гонку с такими "спринтерами", как Беккерель и Кюри, было трудной задачей, и Резерфорд часто обнаруживал, что он отстает. Например, в ноябре 1899 г. он готовил статью для Philosophical Magazine, в которой показал как радиоактивный торий может вызвать радиоактивность в других веществах, то есть наблюдал явление, которое он назвал "наведенной радиоактивностью". Но и супруги Кюри работали над тем же явлением, и их работа первой попала в печать. Когда статья Резерфорда появилась в февральском номере журнала Philosophical Magazine, он завершил ее горьким признанием, что, пока статья находилась в подготовке к печати, был получен выпуск Comptes Rendus от 6 ноября, в котором содержится статья Кюри и заметка Беккереля об излучении, возбуждаемом в телах радием и полонием".


То, что он упустил первенство в этом соревновании, стало ударом по карьерным амбициям Резерфорда и его эго. Он возложил большую часть вины на свое местонахождение. Он был далеко от места, где издавались и читались самые популярные журналы по физике, и ему часто приходилось ждать месяц или больше, пока его статьи пересекут Атлантический океан и дойдут до редакции, а потом еще месяц или больше, чтобы получить и отправить гранки статей. Его ранняя работа с Бруксом, например, проводилась в 1899-1900 гг., но напечатла была только в 1902 г. Как можно было соревноваться с такими "спринтерами", как Беккерель и Кюри, которые могли доставить свои рукописи в Comptes Rendus Академии наук в считанные дни? Резерфорд начал искать способ печатать свои работы как можно быстрее, и вскоре он обратил внимание на одно из самых читаемых научных периодических изданий Великобритании: еженедельный журнал Nature.


Резерфорд и журнал Nature


В 1900 году журналу Nature было чуть больше 30 лет, и его редактором все еще был его основатель астроном Норман Локьер. В первые десятилетия своего существования журнал создал себе репутацию ведущего журнала для научных диспутов. Еженедельный график издания журнала и скорость Королевской почты XIX века сделали колонку "Письма в редакцию" идеальной площадкой для научных дискуссий. Британский читатель, вступивший в дискуссию на этой неделе, мог ответить письмом, отправить его в лондонский офис Nature и увидеть ответ в печати на следующей неделе. В конце 19 века журнал был полон дискуссий и дебатов о самых различных научных проблемах начиная от возраста Земли до последних эволюционных теорий.


Взрыв интереса к рентгеновским лучам вдохновил читателей журнала Nature использовать его для новой цели: сообщений о захватывающих новых результатах исследований. Специализированные еженедельники, такие как Nature и его конкурент The Electrician and Chemical News смогли извлечь выгоду из большого интереса к открытию Рентгена благодаря скорости своих публикаций. Они предложили исследователям форум, где предварительные наблюдения и теории о природе лучей могли достичь аудиторию научных специалистов в течение недели после отправки, тем самым минимизируя шансы, что другие исследователи их опередят. Страницы Nature были вскоре заполнены письмами физиков, которые попробовали что-то новое с рентгеновскими лучами и хотели сообщить о своих наблюдениях. Известно, что Nature напечатал первый перевод на английский язык статьи Рентгена и первый рентгеновсий снимок, сделанный в Англии.


До того, как в 1899 году его опередили Кюри, Резерфорд не публиковался в Nature, возможно потому что он сосредоточился на публикации объемных статей в престижных изданиях, таких как Журналы Королевского общества. Но это скоро изменилось. Резерфорд написал в Nature между 1901 и 1908 более дюжины коротких писем по таким вопросам, как тепловые эффекты радиоактивности, количество гелия, выделяющегося из радия, зависимость радиоактивности от концентрации радиоактивных материалов и электрический заряд альфа-лучей, испускаемых радием. Он продолжал направлять статьи в Философский журнал и труды Лондонского королевского общества также, но он оставлял их для публикации более обширных статей о своих лучших работах. Обнадеживающие предварительные результаты отправлялись в Nature, чтобы предотвратить неудачу, которою он испытал с публикацией о наведенной радиоактивностью.


Интересно, что желание Резерфорда публиковаться как можно быстрее не заставило его искать другие еженедельники помимо Nature. Он и Содди являются соавторами многостраничной статьи о радиоактивности тория для Chemical News в 1902 году, но после того, как Содди покинул Макгилл, Резерфорд прекратил публиковать статьи в этом журнале и он никогда не был постоянным автором журнала The Electrician. Повидимому, этот выбор вытекал из сильного чувства самоидентификации Резерфорда как физика. Chemical News предназначался для британских химиков, целевой аудиторией The Electrician были инженеры и ученые промышленности. Но Резерфорд всегда считал себя физиком, а не инженером или химиком. Он был обкскуражен, когда получил Нобелевскую премию по химии, а не по его любимой дисциплине. Североамериканские журналы не играли большой роли в издательской стратегии Резерфорда. Он не отправлял свои работы в еженедельник США Science ("Наука"), у которого была колонка писем в редакцию, такая же, как в Nature, и чья Нью-Йоркская редакция была ближе к Монреалю, чем лондонские офисы Nature's. Повидимому, он отвергал идею публикаций в канадских журналах, и он никогда не пытался соревноваться с супругами Кюри на их территории, во Франции.


Стратегия публикаций Резерфорда, ориентированная на Великобританию предполагает, что помимо опасений по поводу приоритета, он стремился достичь именно национальной аудитории. Публикации в британских журналах сохраняли преимущество публикации на родном языке Резерфорда, английском, и это также увеличило вероятность того, что его работа будет замечена британскими физиками. В частности, Резерфорд отказался от предложений стать профессором физики Университетского колледжа Виктории в Новой Зеландии, Университета Западной Австралии и Колумбийского университета в Нью-Йорке, указав, что его целью является не просто оставить университет Макгилла, но вернуться в Великобританию.


Выбор Резерфордом Nature повлиял не только на его профессиональную карьеру, но и на сам журнал Nature. Практика быстрой публикации для обеспечения приоритета не было чем-то новым для науки. Например Comptes Rendus долгое время был местом, где французские ученые могли быстро опубликовать свои работы. Но Nature не была главной площадкой приоритетных публикаций до открытия рентгеновских лучей и радиоактивности. Более того, именно публикации Резерфорда превратили Nature, журнал, который не был первостепенным для специалистов в области радиоактивности (например, в нем было мало публикаций о Марии Кюри и ее работах), в журнал обязательного чтения для всех, кто работает над проблемами радиоактивности и рентгеновских лучей. Вклад Резерфорда помог также расширить международный престиж журнала. В 19 веке это был журнал для членов британского научного сообщества. У него была небольшая аудитория и в США, но было мало подписчиков в европейских научных центрах. Его авторы были почти поголовно британцами. Однако уже к 1910 году физики во всем мире читали Nature и печатались в этом журнале. В переписке между Резерфордом и американским физиком Бертрам Борден Болтвудом, например, оба часто упоминали журнал Nature как место для публикаций своих статей и как важный источник информации о других исследованиях.


Болтвуд был, пожалуй, самым крупным специалистом по радиоактивности в США в то время и, как и Резерфорд, он боролся с удаленностью от крупных исследовательских центров, таких как Париж и Кембридж. Nature оказалась для него бесценным источником информации и местом для публикации его работ. Он имел обыкновение отправлять предварительные результаты как в журналы США, так и в Nature, как он упомянул в письме Резерфорду 1906 года: "Я отправил краткое сообщение редактору журнала Nature и заметку для декабрьского номера Am. Jour. Journal of Science ". В письмах Резерфорда также говорится об отправке свежих результатов в Nature. В октябре 1906 г. он писал: "Я недавно сделал несколько эксперименов, которые показывают, что излучения полностью абсорбируются в древесном угле при обычных температурах. . . . Вы увидите сообщение об этом в Nature примерно через неделю ".


За Резерфордом и Болтвудом последовали и другие исследователи радиоактивности из разных стран мира. Самым известным среди них был Отто Ган, будущий лауреат Нобелевской премии (за открытие деления урана), который работал в McGill с Резерфордом в 1905-1906 гг. Как Резерфорд и другие его англоязычные коллеги, Ган вскоре начал писать в Nature о своих интересных предварительных результатах. Издательская стратегия Резерфорда принесла свои плоды. В декабре 1906 г. он написал матери, чтобы сказать ей, что ему предложили позицию в Великобритании: "Я получил предложение о кафедре физики в Манчестере. Думаю, вполне вероятно, что я приму его. Я думаю, что это разумный шаг по разным причинам. Я получу более высокую зарплату и буду директором лаборатории, и, что для меня самое главное, буду ближе к центру событий в научном плане ".


В Манчестерском университете Резерфорд возобновил свои работы над альфа-частицами, надеясь найти способ определить, состоят ли они из атомов гелия или водорода. В 1908 году он накопил достаточно большое количество альфа-частиц, чтобы можно было проанализировать их спектроскопически. Спектральный анализ показал, что они действительно являются атомами гелия, как давно подозревал Резерфорд. В 1908-1909 гг. Резерфорд со своим приехавшим коллегой Хансом Гейгером и студентом по имени Эрнест Марсден занялись бомбардировкой альфа-частиц металлической фольги. К их удивлению, небольшой процент частиц отражался от них назад, а не проходил сквозь фольгу, как они ожидали. Это открытие совершило революцию в атомной теории. Старая модель атома в виде "сливового пудинга" Томсона, которая представляла положительные и отрицательные заряды равномерно распределенными по нему, как изюм в десерте, была вскоре заменена ядерной моделью атома, в которой положительный заряд был сосредоточен в плотном центре. В Манчестере Резерфорд продолжал служить наставником молодых физиков. Он пытался убедить свою бывшую аспирантку Брукс приехать в Великобританию к нему, но она решила остаться в Монреале, где и вышла замуж в 1907 году. Среди его протеже в Манчестере было много известных физиков, в том числе Генри Мозли, открывший что каждый химический элемент имеет характерный атомный номер, Джеймс Чедвик, открывший нейтрон, и Нильс Бор, который произвел революцию в теории атома и стал одной из самых влиятельных фигур в квантовой физике.


В 1919 году, после окончания Первой мировой войны, Резерфорд получил еще более желанное предложение вернуться в Кавендишскую лабораторию в качестве ее нового директора. Он привел с собой Чедвика, с которым исследовал явление радиоактивного распада в 1920-е годы. Несмотря на свои глубокие познания в области радиоактивного распада и структуры атомов, Резерфорд, как известно, отвергал идею расщепления атомов как несбыточную мечту. Он не дожил до открытия Отто Гана, Фрица Штрасмана и Лиз Мейтнер, которое доказало, что он неправ. В 1937 году он неожиданно умер после осложнения операции по поводу грыжи.


Резерфорд оставил после себя впечатляющее наследие. Его работа над радиоактивностью и структурой атомов помогла произвести революцию в том, как физики понимали мир, и он был наставником некоторых из самых влиятельных ученых 20-го века в этой области. Резерфорд также сформировал ландшафт научных публикаций. Следуя его примеру, ученые из разных разделов науки по всему миру приняли практику публикаций самых выдающихся научных результатов в письмах редактору журнала Nature. Британский еженедельник возможно не стал бы одним из самых популярных изданий в мире, если бы не Резерфорд и его мечта вернуться в Соединенное Королевство.


1