Прямоходящие мыслители. Путь человека от обитания на деревьях до постижения миро устройства - Леонард Млодинов

Бор постановил: если свойства атома квантуются, электрон не может непрерывно съезжать по спирали к ядру и терять энергию, как велит классическая Ньютонова теория, – электрон может терять энергию только «порциями», переходя с одной разрешенной орбиты на другую. Боровская модель подразумевает, что электрон в атоме, возбуждающемся при поступлении энергии извне – например, от фотона, – переходит на одну из более удаленных от ядра и более энергетически насыщенных орбит. А всякий раз, когда происходит скачок на орбиту поближе к ядру, с энергией пониже, испускается квант света – фотон, а его частота соответствует разнице в энергиях между двумя орбитами.

Теперь предположим, что, опять-таки по доселе неведомой причине, есть самая близкая к ядру допустимая орбита – с самой низкой энергией, которую Бор назвал «основным уровнем». В этом случае, когда электрон достигает этого состояния, он более не может терять энергию и потому не падает на ядро, как предсказывала модель Резерфорда. Бор предположил, что похожая, но, быть может, более сложная схема применима и к другим химическим элементам, в чьих атомах много электронов: он считал квантование ключом к устойчивости Резерфордова атома, а следовательно – и всей материи во Вселенной.

Как работа Планка по излучению абсолютно черного тела, как объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта, так и соображения Бора не выводились из общей квантовой теории, а скорее были частными толкованиями одного определенного случая – например, устойчивости Резерфордова атома. Такова человеческая находчивость: невзирая на отсутствие «материнской» теории, модель Бора, как и модели Планка и Эйнштейна, по сути своей были верны.

Бор позднее скажет, что его размышления об атоме кристаллизовались лишь после случайного разговора с другом в феврале 1913 года. Тот друг напомнил ему о законах в спектроскопии – области науки, изучающей свет, испускаемый веществом в газовом состоянии при возбуждении, скажем, электрическим разрядом или сильным нагреванием. Было давно известно, что – по причинам, которые тогда еще предстояло понять, – каждое простое газообразное вещество испускает специфическую группу электромагнитных волн, характеризующихся конечным набором частот. Эти частоты именуются спектральными линиями и образуют своего рода отпечатки пальцев, по которым можно опознать, что это за химический элемент. Поговорив с другом, Бор понял, что с помощью своей модели атома может составить прогноз «отпечатков пальцев» водорода и так увязать свою теорию с проверкой опытными данными. Именно этот шаг в науке возносит мысль от многообещающего или «красивого» предположения к серьезной теории.

Доделав математику, Бор совершенно опешил: различия в энергии у «разрешенных» орбит воспроизводили в точности те самые частоты, чьи спектральные линии были получены в многочисленных экспериментах. Трудно вообразить себе воодушевление двадцатисемилетнего Бора в ту минуту: применив свою простенькую модель, он воспроизвел загадочные уравнения спектроскопистов и объяснил, откуда они берутся.

Бор опубликовал свой шедевр, посвященный атому, в июле 1913 года. Ради этой победы он изрядно потрудился. С лета 1912-го до того вдохновенного мига в феврале 1913-го он день и ночь возился со своими соображениями и выкладывался так, что даже прилежные его коллеги диву давались. Они даже думали, что он начнет падать от утомления. Одного примера будет достаточно: 1 августа 1912 года он собрался жениться – и женился, но медовый месяц в живописной Норвегии отменил и просидел в гостиничном номере в Кембридже, надиктовывая статью на тему своей работы новоиспеченной супруге.

Новая теория Бора, эдакий ералаш, очевидно была лишь началом. К примеру, он называл разрешенные орбиты «стационарными состояниями», поскольку электроны, когда ничего не излучают, должны, согласно классической теории, вести себя так, будто не движутся. При этом он часто говорил о «состоянии движения» электронов, изображая их обращающимися вокруг ядра по разрешенным орбитам, покуда они либо не слетали на орбиту с меньшей энергией, либо не поглощали внешнее излучение и не переходили в более высокоэнергетическое состояние. Я про это говорю, чтобы проиллюстрировать, что Бор применял противоречивые образы. Таков подход многих пионеров теоретической физики – в литературе предлагается не смешивать метафоры, а в физике, если мы знаем, что одна метафора не полностью подходит, вполне допустимо (осторожно) смешать ее с другой.

В данном случае Бор не выказывал пылкой приязни к классической «планетарной» модели атома, но с нее он начал и, чтобы создать новую теорию, применил уравнения классической физики, увязывавшие радиус и энергию электронных орбит, попутно добавив новые квантовые представления вроде принципа стационарных состояний, тем самым создав видоизмененную картину.

Боровскую модель поначалу встретили неоднозначно. В Университете Мюнхена влиятельный физик Арнольд Зоммерфельд (1868–1951) не только мгновенно распознал в этой работе веху науки, но и подключился к ней сам, взявшись исследовать ее связь с теорией относительности. Меж тем Эйнштейн сказал, что Бор сделал «одно из величайших открытий [в истории]»[358]. Но, вероятно, самое красноречивое свидетельство того, до чего потрясающей показалась модель Бора физикам его времени, – еще один комментарий Эйнштейна. Человек, которому хватило отваги выдвинуть предположение не только о существовании световых квантов, но и о взаимосвязи между пространством, временем и гравитацией, сказал, что ему приходило в голову нечто похожее на модель Бора, но из-за «чрезвычайной новизны» он не осмелился эти взгляды обнародовать.

Издание этой работы действительно потребовало смелости – об этом можно судить по другим откликам на работу Бора. К примеру, в Университете Гёттингена, ведущем немецком научном центре, все пришли к единодушному мнению, что «вся эта затея – ужасная чушь, граничащая с мошенничеством». Один гёттингенский ученый, эксперт в спектроскопии, изложил отношение Гёттингена письменно: «В высшей степени жаль, что литература оказывается засорена подобными жалкими данными, выдающими такое невежество»[359]. Один из зубров британской физики, лорд Рэлей [Рейли], сказал, что не смог заставить себя поверить, будто «Природа ведет себя вот так»[360]. Но все же прозорливо добавил, что «людям за семьдесят не стоит слишком поспешно выражать свое мнение о новых теориях»[361]. Другой ведущий британский ученый, Артур Эддингтон[362], тоже не пылал энтузиазмом, прежде отмахнувшись от квантовых представлений Планка и Эйнштейна как от «немецких измышлений».

Даже Резерфорд отозвался отрицательно. Ему уж точно не дорога была теоретическая физика. Но допекало его в работе Бора, которая, как ни крути, ревизовала его собственную модель атома, что его датский коллега не предложил никакого механизма, коим электрон осуществляет свои прыжки между объявленными энергетическими уровнями. К примеру, если электрон, перемещаясь на энергетический уровень, отвечающий меньшей орбите, «прыгает» на нее, а не непрерывно движется по спирали к ядру, каким именно маршрутом происходит этот «прыжок», и что его провоцирует?

Как позднее выяснится, возражения Резерфорда коснулись в точности сути. Не только такого механизма никогда не установят, но и квантовая теория дозреет до состояния теории природы, и из нее последует, что ответов у таких вопросов нет, а значит, им нет места в современной науке.

То, что в конце концов убедило мир физиков в правильности вид ения Бора[363], а значит – и ранних работ Планка и Эйнштейна, накопилось за десять лет, с 1913-го по 1923 год. Применяя свою теорию и воззрения других ученых к атомам разных химических элементов тяжелее водорода, Бор понял, что упорядочением элементов по атомному номеру, а не по массе атома, как это сделал Менделеев, можно устранить кое-какие ошибки в Периодической системе.

Атомная масса определяется числом протонов и нейтронов в ядре атома. Атомный номер же равен числу протонов, которое, поскольку атом в целом не имеет никакого заряда, равно числу электронов в этом атоме. Чем больше у атома протонов в ядре, тем больше там нейтронов, но их количества не обязательно совпадают, то есть порядок элементов по атомной массе и атомному номеру может разниться. Теория Бора показала, что атомный номер – подходящий параметр, на котором и следует выстраивать Периодическую таблицу, поскольку именно протоны и электроны, а не нейтроны, определяют химические свойства вещества. На этот вывод ушло более пятидесяти лет, но, благодаря Бору, наука наконец смогла объяснить, почему таинственная таблица Менделеева действенна.

С вызреванием квантовых представлений до общей структуры, которая заместит законы Ньютона, физики наконец смогли записать уравнения, из которых, в принципе, можно вывести поведение всех возможных атомов, хотя в большинстве случаев для этого требуется мощь суперкомпьютеров. Но чтобы проверить предположения Бора о важности атомного номера, никому ждать суперкомпьютеров не пришлось: в традиции Менделеева Бор предсказал свойства еще не открытого тогда элемента, и именно его Менделеев, основывая систему на атомной массе, определил ошибочно.