Кванты и музы

Это оказалось непростым делом.

Эйнштейн нашёл выход. Он использовал и объединил далёкие в то время области — радиоактивность и теорию спектров.

Исследование радиоактивности выявило ситуацию, которую невозможно предсказать. Принудило признать наличие в природе непредсказуемых явлений: в частности, индивидуального акта радиоактивного распада. Заставило смириться с тем, что природа разрешает предугадать лишь то, какая доля атомов из данного количества распадётся за определённое время, но не позволяет узнать, когда именно это случится с тем или иным из них.

Среди законов природы есть закон случая. И когда учёные говорят о вероятностных явлениях, они имеют в виду те, что происходят по закону случая. Радиоактивный распад иллюстрирует именно непредсказуемые процессы.

Конечно, такая ситуация вызывала известное неудовольствие. Но что было делать, с этим приходилось мириться. Учёные, возможно, утешали себя примером Ньютона: тот тоже мирился с незнанием природы сил тяготения, удовлетворившись тем, что установил результат действия этих сил и сумел найти им количественную оценку.

А кроме того, нельзя сказать, что вероятностные законы оказались такой уж новостью. Они явились неожиданностью лишь в отношении атомов и элементарных частиц. В мире больших тел, в привычном нам мире не только учёные, но каждый из нас не раз сталкивался с законами случая.

Осень. Облетают листья. Совершенно очевидно, что почти все они упадут на землю. Но ни одна теория не предскажет, куда упадёт каждый лист. Можно лишь с определённой вероятностью утверждать, что листья будут располагаться в основном вокруг дерева. Большая их масса — под кроной. Часть отлетит в сторону. Какое-то количество будет унесено ветром.

Тут действует закон случая — «закон опадающих листьев»…

Эйнштейн смело использовал этот закон в применении к микромиру. Он провёл аналогию между вероятностью радиоактивного распада и вероятностью рождения фотонов при перескоке электронов внутри атома с орбиты на орбиту.

По мнению Эйнштейна, акты излучения и поглощения фотонов тоже подчиняются «закону опадающих листьев» — вероятностным законам. Эти законы относятся к поведению совокупности тел: листьев, атомов. Для большого скопления тел эти законы дают точную формулу поведения. Но о каждом из них в отдельности умалчивают. Для отдельного атома, как и для отдельного осеннего листа, за коны природы разрешают определить лишь вероятность того или иного события. Излучит атом фотон или поглотит — дело случая. Можно только подсчитать вероятность этого для данного отрезка времени.

Наверно, нечто подобное происходит при наступлении атакующей армии: можно определить, сколько снарядов и пуль выпустила в неприятеля эта армия, но невозможно установить, какой солдат или орудие и когда выпустило ту или иную пулю.

Вывод: нет и не может быть жёсткой связи между моментом рождения квантов внутри «атома Бора» при перескоке электронов с одной орбиты на другую и формулой Планка, рисующей поведение этих квантов — потока излучения из вещества — уже вне атома.

Это обескураживало физиков. Жизнь вносила в строгую, привычную к точности физику неопределённость, граничащую с произволом. Пока учёные видели лишь то, что вновь открытые ими квантовые законы запрещают, не видя ещё того, что они разрешают.

Об этом догадался опять-таки Эйнштейн. В его работе, опубликованной в 1917 году, был один нюанс, роль которого выяснилась много позже. Эйнштейн заподозрил возможность управлять излучением атомов. Он указал на то, что атом может излучать не только под влиянием непознанных ещё внутренних причин, но и в результате воздействия внешнего электромагнитного поля. Это был намёк на сенсационные возможности для техники будущего.

Важность этого замечания и его глубокий смысл долго ускользали от большинства учёных. Лишь незадолго до Великой Отечественной войны молодой преподаватель Московского энергетического института Фабрикант увидел в теории Эйнштейна возможность создать усилители света, работающие за счёт внутренней энергии атомов и молекул. Много позже, в 1954 году учёные следующего поколения Басов и Прохоров в Москве и независимо от них Таунс в Нью-Йорке, не зная о предложении Фабриканта, создали молекулярный генератор радиоволн, основанный, по суще ству, на той же работе Эйнштейна. Конечно, для создания этого прибора им пришлось учесть сложные закономерности из области радиофизики и молекулярной физики. Они вступили в интереснейшую область познания, давшую человечеству мазеры и лазеры, которые в свою очередь открыли широкие пути познания природы и развития технологии. Но об этом речь впереди.

Пока же мы должны понять, как постигали учёные давнюю дилемму «волна — частица».

Итак, Эйнштейн, уверовав в квантовую сущность природы, ещё дальше отошёл от волновой теории света. Остальные же учёные старшего поколения продолжали бить тревогу, указывать на то, что теория фотонов не способна объяснить те оптические явления, которые непринуждённо вытекают из волновых представлений. Эти учёные соглашались с фотонами лишь при одном условии: если фотоны представляют собой не физическую реальность, а только приём, облегчающий расчёты.

Впрочем, уже никто не считал эйнштейновские фотоны возвратом к прежним неделимым. Ведь фотоны появлялись в актах испускания и исчезали в актах поглощения, в то время как прежние частицы, например корпускулы Ньютона, считались вечными и неизменными.

Вскоре молодой американец Комптон, «крёстный отец» фотона, доказал, что фотоны могут не только рождаться и исчезать, но и видоизменяться. Он наблюдал воочию, как при столкновении с электроном фотон изменяет и свою энергию, и направление полёта. Конечно, можно сказать и так: при столкновении с электроном один фотон исчезает, а совсем другой рождается. Здесь различаются лишь слова. Суть состоит в том, что Комптон обнаружил доказательства реального существования индивидуальных фотонов.

Все попытки объяснить наблюдения Комптона при помощи волновой теории оканчивались неудачей.

Так, оптические явления всё более чётко располагались как бы в две группы. В одну входят те явления, которые непринуждённо объясняются на основании волновой теории и остаются необъяснимыми при помощи фотонов, во вторую — те, что не поддаются волновому описанию и с лёгкостью вытекают из представления о фотонах.

Известный исследователь рентгеновских лучей, лауреат Нобелевской премии Брэгг описал ситуацию так: каждый физик вынужден по понедельникам, средам и пятницам (занимаясь фотоэффектом и эффектом Комптона) считать свет частицами, а по вторникам и четвергам (изучая дифракцию и интерференцию) считать его волнами.

Вскоре это анекдотичное, а в сущности, неблагополучное положение распространилось в атомную физику.

Физиков беспокоило не только то, что модель атома Бора не позволяет объяснить спектры подавляющего большинства атомов — не даёт возможности понять, почему и когда атом излучает те или иные кванты энергии. Само существование стационарных орбит электронов в атоме оставалось необъяснённым. Почему электроны могут вращаться вокруг ядра на определённых расстояниях от него? Почему им нельзя вращаться на других расстояниях? Особенно многозначительным казалось то, что расстояния орбит от центра ядра кратны определённым числам, то есть тут явно не было случайности — тут сказывался жёсткий закон. Но какой?!

Первый подход к этой загадке нашёл совсем молодой французский физик Луи де Бройль. Он представил себе, что электроны в атоме — словно ноты на нотных строчках.

Расстояния между строчками указывают, что изменения частот звучания при переходе со строчки на строчку описываются определёнными дробными числами. Так же, как дробные числа, относятся между собой и радиусы орбит в атоме, на которых вращаются электроны.

И де Бройль представил себе, что электрон, словно некое умозрительное подобие звучащей ноты, тоже связан со своей волной. Что ему «уютно» только на такой орбите строчке, где укладывается целое число его волн. И если ему суждено перескочить на другую орбиту, то он «выберет» такую, где тоже уложится целое число волн. Так у каждого вещества образуется свой набор «нотных строчек», орбит. Это словно паспорт, по которому можно определить, какие кванты способны рождать электроны, перескакивающие с орбиты на орбиту в атоме данного элемента или вещества.