Кванты и музы

Решающий шаг внутрь атома сделал Резерфорд. Он обстрелял мишень из тонкой металлической фольги узким пучком альфа-частиц и… поразился! Наблюдения за дальнейшим поведением альфа-частиц заставили его сделать однозначный вывод: «Положительный заряд, связанный с атомом, сконцентрирован в крошечном центре, в ядре, а компенсирующий отрицательный заряд распределён в сфере с радиусом, сравнимым с радиусом атома».

Расчёты показали, что радиус ядра сравним с величиной, принятой тогда для радиуса электрона, а радиус атома превосходит его примерно в сто тысяч раз и составляет около стомиллионной доли сантиметра.

Так возникла планетарная модель атома: малое тяжёлое положительное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Количество электронов таково, что их суммарный заряд компенсирует положительный заряд ядра.

Заряд ядра соответствует номеру элемента в таблице Менделеева. Химические свойства элемента определяются числом и взаимным расположением электронов.

Человеческое мышление склонно к аналогиям. Было ес тественно предположить, что электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Это выглядело весьма правдоподобно и просто: большое повторяется в малом.

Всё было хорошо в этой модели. Она могла непротиворечиво объяснить многие явления, но… не могла существовать! Физики сразу заметили неблагополучие в такой привлекательной картине. Солнце и планеты электрически нейтральны, а ядра атомов и электроны — это тела заряженные. И их взаимоотношения совсем иные. Следуя законам электродинамики, отрицательно заряженные электроны, вращаясь вокруг положительного ядра, должны постепенно потерять свою энергию и упасть на него. Но такого явления никто никогда не наблюдал. Если бы электроны атомов вдруг начали падать на ядра, настал бы конец света!

Итак, напрашивался единственный вывод: либо неверны законы электродинамики, либо атомы устроены иначе.

Правильность законов электродинамики не вызывала сомнений. Её подтверждала работа электрических двигателей и генераторов, действие радиотелеграфа, поведение стрелки компаса и многое другое. Кризис физики всё обострялся… Однако развитие науки шло по пути диалектического преодоления внутренних противоречий.

Выход из тупика указал в 1913 году Бор. Его объяснение повергло физиков в недоумение.

Представьте себе реакцию человека, которому сообщили сенсационную новость: в Азии совсем иные законы природы, чем в Европе. В Азии в отличие от Европы деревья растут вверх корнями…

Нечто похожее произошло в среде физиков, когда молодой датский учёный Нильс Бор высказал свою догадку: в микромире не применимы законы макромира. В атоме — другие законы природы, чем вне его. Если в свободном пространстве заряженное тело при движении по окружности теряет энергию, то внутри атома этого не происходит.

Бор утверждал, что электроны в атоме не подчиняются классической электродинамике: могут вращаться на опре делённых стационарных орбитах, не излучая энергии. Излучение происходит только при переходах электронов с одной из стационарных орбит на другую — более близкую к ядру. Тут электрон выстреливает порцию энергии — квант.

Бор на этом не остановился. Он сообразил, что величина излученной электроном энергии пропорциональна расстоянию между орбитами! (Сказанное нельзя понимать буквально: речь идёт не столько о расстоянии между орбитами в пространстве, сколько о различии энергий электрона на этих орбитах. — Прим. В.Г. Сурдина)

Если электрон перелетит недалеко, скажем, на соседнюю орбиту, он излучит маленький квант — красного цвета. А если перескочит на более дальнюю орбиту, то успеет излучить квант побольше — голубого или даже фиолетового цвета.

Бор своим предположением убил сразу двух зайцев: объяснил устойчивость атома и понял секрет цветных линий в спектрах излучения разных веществ.

Так, прибегнув к квантовой теории, он связал свою модель атома с опытными данными, полученными при помощи спектрального анализа. Поняв, почему в спектре каждого атома множество разноцветных линий — они иллюстрируют способность атома излучать кванты тех или иных цветов, — он сумел раскрыть и секрет строения атома, узнать схему расположения орбит, их возможное количество, расстояния между ними и многое другое.

Этот момент очень важен для истории науки.

Веками имея дело со сравнительно большими телами, люди привыкли считать, что энергию можно делить на произвольные порции. Когда оказалось, что в микромире это невозможно, что в атомных масштабах энергия способна существовать только как совокупность определённых порций — квантов — и что величину квантов надо определять с помощью новых, не известных ещё законов, многие физики от этого просто поначалу отмахнулись. Но когда датский фантазёр догадался, что квантовые законы обуславливают устойчивость атома — это, конечно же, не могло не изменить умонастроение даже отъявленных скептиков. Квантовые законы спасают мир от ультрафиолетовой катастрофы, делают атомы надёжнее крепостных стен — это было уже очень серьёзно. И внимание учёных в первой четверти прошлого столетия обращено на Копенгаген, где на большом творческом подъёме Бор и его единомышленники — молодые учёные разных национальностей — пересматривали старые истины и искали новые.

Психологически это был трудный поворот. Учёные, не успев привыкнуть к тому, что вместо непрерывных процессов, подчиняющихся законам классической физики, в природе царствует дискретность, прерывистость, должны были начинать новую жизнь: привыкать к мысли, что в микромире уже нельзя пользоваться формулами классической физики. Нужно выявлять квантовые законы и применять их для исследования микромира.

Недоумение, с которым встретили физики выход из тупика, указанный Бором, перешло в триумфальное шествие, когда Бор, а за ним теоретики Вильсон и Зоммерфельд начали на основе модели Бора рассчитывать спектры атома водорода. Модель позволяла наглядно представить и возникновение Периодического закона, открытого Менделеевым. Однако восторг сменился разочарованием, когда выяснились некоторые тонкие расхождения между расчётными величинами и наблюдаемыми спектрами водорода, а затем оказалось, что модель не позволяет рассчитать спектры более сложных атомов, даже второго по сложности атома — гелия. Возникла горькая поговорка: «Атом Бора это не атом бора, а атом водорода».

Так трагической неудачей закончился период величайших успехов физики начала прошлого века.

Тогда существовала надежда, что удастся построить наглядную и непротиворечивую картину мира, основанную на трёх простейших элементах: протонах — ядрах атома водорода, из которых образуются все ядра, электронах — ответственных за все электрические и химические явления, и фотонах — объясняющих все оптические явления и их связь со строением атома. Все эти надежды рухнули.

После перерыва, вызванного Первой мировой войной, физики вновь принялись за работу. Впрочем, физики старшего поколения, не призванные в армию, и в эти годы продолжали искать порванные нити старых и новых теорий.

В эти годы Эйнштейн трудился над обобщением теории относительности, желая найти в ней место для неравномерных движений, например для падения тел в поле тяготения и для вращательных движений. В 1916 году он достиг решающих успехов, опубликовав ряд работ, развивавших общую теорию относительности и позволявших охватить едиными формулами простые движения, поле тяготения и центробежные силы. Этим Эйнштейн заложил основу несбывшейся мечты всей его дальнейшей жизни — мечты о единой теории, описывающей все известные и ещё не открытые поля.

Одновременно Эйнштейн стремился понять, как можно примирить существование фотонов (частиц света) с такими явлениями, как дифракция и интерференция, свидетельствующими о том, что свет обладает несомненными волновыми свойствами.

Эйнштейна тревожило и то, что отсутствовала связь между механизмом взаимодействия энергии с веществом, понятого Планком (формулой Планка, освободившей науку от призрака ультрафиолетовой катастрофы), и боровской моделью атома, получавшей всё большее экспериментальное подтверждение. Нужно было как-то соединить эти две половины одной медали. Ведь то, что происходит внутри атома и вокруг него, несомненно, части одной картины.