Страница 50 из 65
Этот закон Нильс Бор обнаружил в работе Макса Планка, опубликованной в Германии в 1900 году. Планк показал, что в мире, в котором материя состоит из кусочков, энергия тоже должна быть кусочками, или квантами. Сегодня это не кажется таким уж странным, но в начале XX века идея Планка была революционной. Он это отлично осознавал, поэтому однажды, как обычно отправившись с сыном на прогулку, которую академики всего мира совершают после обеда, он сказал ему: «Я совершил революционное открытие, равное по значимости идеям Ньютона». И это было именно так.
В настоящее время задача, которую решил Нильс Бор, кажется нам очень легкой: с одной стороны, он имел модель атома, описанную Резерфордом, с другой — квант, открытый Планком. Что же замечательного в том, что в 1913 году он, будучи двадцатисемилетним молодым человеком, сумел составить современное представление о структуре атома? Ничего, кроме великолепного процесса мышления, великолепной и удачной попытки синтеза. И идеи поискать доказательство в том единственном месте, где оно может быть: в спектре, где поведение атома становится наблюдаемым для нас.
Чудесная, волшебная идея Бора! Внутрь атома мы заглянуть не можем, но есть окно, целый витраж: спектр атома. Каждый элемент имеет собственный спектр, но не непрерывный, как спектр белого света в опыте Ньютона. Спектр имеет некое число ярких линий, которые характеризуют конкретный элемент. Например, у водорода три достаточно яркие линии в видимом спектре: красная, сине-зеленая и синяя. Бор считал, что эти линии — след высвобождения энергии, которая образуется, когда электрон перескакивает с одной из внешних орбит на внутреннюю.
Пока электрон в атоме водорода остается на одной орбите, он энергии не излучает. Каждый раз, когда он перемещается с внешней орбиты на внутреннюю, разность энергий орбит создает квант света. Эти кванты, испускаемые миллиардами атомов одновременно, мы видим как характерную для водорода линию. Красная линия в спектре водорода означает, что поток электронов перескакивает с третьей орбиты на вторую, сине-зеленая черта демонстрирует, что происходит переход с четвертой орбиты на вторую.
Работа Нильса Бора «О строении атомов и молекул» сразу стала классической. Структура атома обрела математическое толкование, как некогда Вселенная Ньютона, и включала квант в качестве дополнительного принципа. Ученый построил мир внутри атома, расширив законы физики, которые выстояли два века после Ньютона. Его возвращение в Копенгаген было триумфальным. Отныне этот город станет постоянным местом его работы. В 1920 году благодарные земляки построят институт, которому присвоят имя Нильса Бора. Сюда, в это солидное научное учреждение, будут съезжаться молодые ученые из Европы, Америки, Дальнего Востока, чтобы обсудить проблемы квантовой физики. В институт часто приезжал из Германии Вернер Гейзенберг. Здесь при поддержке Бора и его учеников он разработал свои самые интересные идеи. По-другому и быть не могло — Нильс Бор не позволил бы никому остановиться на полпути.
Интересно проследить этапы подтверждения боровской модели атома, поскольку они воспроизводят жизненный цикл любой научной теории. Сначала она существует только на бумаге. Для подтверждения модели берутся известные данные. Конкретно, показывается, что у спектра водорода есть линии, давно известные, расположения которых соответствуют квантовым переходам электрона с одной орбиты на другую.
Следующий этап исследований — расширенное подтверждение нового феномена. В нашем случае это линии в высокоэнергетической рентгеновской области, невидимой глазу, но образуемой таким же образом электронными скачками. Этой работой занималась в 1913 году лаборатория Резерфорда и достигла прекрасных результатов, подтвердив все предсказанное Бором. Эксперимент проводил Гарри Мозли, двадцатисемилетний очень одаренный физик, к великому сожалению, не смог сделать в науке ничего, потому что в 1914 году был призван в армию и трагически погиб в 1915 году в ходе тяжелых боев на полуострове Галлиполи (Турция). Дарданелльская операция стоила жизни многим молодым людям, например поэту Руперту Бруку. Работа Мозли, как и Менделеева, предполагала отсутствие некоторых элементов, и один из них был открыт в лаборатории Бора и назван гафнием, по латинскому названию Копенгагена. Бор объявил о своем открытии в нобелевской речи в 1922 году. Тема его выступления знаменательна, потому что в ней Бор в деталях описал то, что почти поэтически изложил в другом выступлении, а именно как понятие кванта постепенно привело к систематической классификации видов стационарных связей электронов внутри атома, предлагая полное объяснение особенных отношений между физическими и химическими свойствами элементов, нашедших выражение в знаменитой периодической таблице Менделеева. Такая интерпретация свойств материи реализует и даже превосходит мечты пифагорейцев, создавших древний идеал сокращенной формулировки законов природы, изложенной в простых числах.
И как раз в момент, когда кажется, что все складывается как нельзя лучше, теория Бора, впрочем, как любая другая идея, достигает своих границ возможного. Она начинает чахнуть, испытывая своего рода ревматические боли. Затем вдруг приходит осознание того, что структура атома так и осталась для нас загадкой. Мы только разбили скорлупу. Но внутри есть яйцо с желтком (ядром), и мы совсем ничего о нем не знаем.
Нильс Бор был человеком, знавшим толк в созерцании и наслаждении. Полученную Нобелевскую премию он потратил на покупку дома в сельской местности. Его любовь к искусствам распространялась и на поэзию. Он говорил Гейзенбергу: «Когда дело доходит до атомов, надо переходить на язык поэзии. Поэта не волнуют описания фактов, он озабочен только созданием образа». Весьма неожиданная мысль, хотя верная: когда речь идет о невидимой материи (например, об атоме) в буквальном смысле, начинается игра образов. Иного способа поговорить о невидимом не придумано ни в природе, ни в искусстве, ни в науке.
Шагнув в мир атомов, мы оказываемся там, где наши органы чувств неприменимы. Мы можем только пытаться представить себе строение этого мира по аналогии с чем-то нам уже известным, пустив в ход воображение. Воображение опирается на личный опыт, который человек получает через органы чувств от внешнего материального и реального мира, потому что наши слова описывают только этот мир. Все остальное — невидимое — мы можем описать метафорами, сравнениями и другими фигурами речи.
После того как мы узнали, что атомы не являются конечными, неделимыми строительными блоками материи, мы можем только попытаться выстроить модели того, как эти блоки связаны между собой и как они действуют сообща. Модели призваны показать нам на аналогии, каково строение материи. Тестируя модели, мы разбираем материю на части, как будто раскалываем бриллиант, чтобы увидеть структуру кристалла.
Восхождение человека — это с каждым шагом все более богатый синтез, но каждый шаг — это попытка анализа: глубокого анализа, мира внутри мира. Когда выяснилось, что атом делим, появилось предположение, что он должен иметь неделимый центр, ядро. Потом, в 1930-х годах, модель стала нуждаться в новом уточнении, поскольку оказалось, что и ядро нельзя считать неделимой частицей реальности.
В сумерках, на шестой день Творения, согласно древнееврейским толкованиям Ветхого Завета, Бог дал человеку все необходимые для творчества инструменты. Будь создавшие те толкования мудрецы живы сегодня, они бы написали, что Бог создал нейтрон. Вот оно, в Оук-Ридже штата Теннесси — синее свечение, представляющее собой след от нейтронов: видимый палец Бога, касающегося Адама на картине Микеланджело — не дыханием, а энергией.
Однако ни к чему начинать историю с таких древних времен. Переместимся в 1930-й год. Ядро атома тогда казалось непоколебимым, каким когда-то казался и атом. Проблема заключалась в том, что его невозможно разложить: нужного количества частей не получается. Ядро несет положительный заряд (в противовес отрицательно заряженным электронам), равный атомному номеру. Но масса ядра по-разному соотносится с зарядом. Например, для самого легкого элемента (водорода) они равны, но в тяжелых элементах масса может превосходить заряд в два раза. Это было необъяснимо до тех пор, пока ученые не отказались от идеи, что все дело в электричестве.