Страница 1 из 28

Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Наварро Хайме

Jaume Navarro

Наука. Величайшие теории: выпуск 26: Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 152 с.

ISSN 2409-0069

Еженедельное издание

Введение

«Быть или не быть, вот в чем вопрос». Эту самую известную фразу в мировой литературе Шекспир вложил в уста загадочного принца Датского Гамлета. Герой книги, которую читатель держит в руках, Нильс Бор — не выдуманный персонаж, хотя многие моменты в его жизни напоминают скорее легенду. Этот физик (датчанин, как и Гамлет) не только повлиял на научную панораму своей страны, но и радикально изменил понимание атома и даже само представление о науке.

Быть или не быть? Бор, вероятно, задавался этим вопросом бесчисленное множество раз: когда, исследуя электроны и их орбиты, был вынужден ввести постоянную Планка для объяснения структуры атома; когда решил превратить Копенгаген в центр теоретической физики своего времени, несмотря на замечательные предложения, которые поступали ему из других стран; когда опроверг привычную идею, что наука позволяет нам узнать действительность; когда полемизировал с Альбертом Эйнштейном по поводу каузальности в физике; когда видел, как многие его коллеги и друзья оказывались жертвами политики Третьего рейха; когда сперва принял участие в создании атомной бомбы, а затем стал активистом ядерного разоружения.

Нильс Бор был одним из самых влиятельных и цельных физиков первой половины XX века, а может, даже самым выдающимся. Пусть нелегко сравнивать двух гениев такого масштаба, многие считают, что по значимости Бор превосходит Эйнштейна. Немецкий физик, чьи идеи произвели революцию в электродинамике, гравитации и космологии, был примером ученого-одиночки, в то время как Бор всегда работал с людьми и даже имел круг последователей.

Чем обычно занимается человек науки? Самый простой ответ на этот вопрос — «разгадыванием секретов Вселенной», но если бы все было так, работа большинства ученых провалилась бы. Чуть более сложный ответ мог прозвучать следующим образом: «систематическим исследованием природы для ее лучшего понимания и контроля, чтобы получать большую пользу от развития технологий». Этот ответ ближе к действительности, но его все еще недостаточно, поскольку он не включает в себя социальную, философскую, политическую и экономическую сферы.

Жизнь и карьера Бора помогут нам лучше понять эту многосторонность научной деятельности, поскольку его вклад охватывает все возможные области науки. И в этом большое отличие Бора от Эйнштейна, которого обычно представляют работавшим изолированно, в одиночку противостоявшим миру с его секретами, которому были чужды современники, особенно другие ученые, хотя все обстояло не совсем так.

Рассмотрев жизнь Бора, мы осознаем, что нашим пониманием атома и его недр мы обязаны не просто волшебному «открытию», блестящей идее или беспрецедентному эксперименту: оно идет от трансформации границ знания. На самом деле понимание атома стало возможным благодаря концентрации на самой концепции «знания» в науке.

Другими словами, Бор сумел лучше понять поведение субатомных частиц, поскольку не задавался теми же вопросами, которые интересовали его предшественников. С помощью этих вопросов люди пытались объяснить все происходящее в природе. В соответствии с механической моделью они представляли себе мир как завод, полный пружин и блоков, сил и натяжений. Данная традиция восходит к Декарту и Ньютону, и она давала плоды более двух веков. Но атомная и ядерная физика показали очевидные пределы этой эпистемологической модели, и Бор решился изменить их.

Эти философские предпосылки демонстрируют, что многие великие потрясения в науке не объясняются простым линейным и необходимым процессом, они тесно связаны с понятийными трансформациями представления о том, что такое наука и как она работает. Когда в 1913 году Бор предложил свою модель атома, многие ее не приняли не потому, что она не работала, а потому что она не была «наукой» в привычном на тот период понимании.

Дело в том, что новая наука об атоме, об атомном ядре и элементарных частицах, развивавшаяся в течение жизни Бора, поставила под сомнение сами понятия, которыми она оперировала. Атом, греческий корень которого предполагает простоту и неделимость, оказался системой субатомных частиц, и первым из них был открыт электрон. Таким образом атом лишился своего положения основного компонента материи и сам оказался сложной системой. Первая модель Бора, появившаяся до Первой мировой, включала в себя только центральное ядро, вокруг которого располагались электроны, причем их особенное распределение уже выходило за пределы понятия «орбита», упраздненного спустя 15 лет.

Термин «элементарная частица» также претерпел радикальные изменения по воле Бора. В первые годы XX века элементарные частицы, в том что касается их свойств простоты и неделимости, стали играть роль «атомов». Однако вскоре квантовая механика потребовала отказаться от «элементарного» характера элементарных частиц. Такие явления, как радиоактивность, могли быть объяснены только с учетом эквивалентности материи и энергии, введенной Эйнштейном, и трансформации одних частиц в другие. В результате в употребление вошли такие выражения, как «образование» и «расщепление» частиц. Более того, любая частица являлась также волной, а любая волна (как свет) — частицей. В новой физике сохранялись привычные термины, но радикально изменилось их значение.

Пример Бора показывает, что задача некоторых ученых — не только работать в лаборатории, выводить формулы и теории и присутствовать на конгрессах. Они также должны уметь добиваться финансирования исследовательских объединений и распоряжаться этими средствами. В данной области Бор был мастером, из ничего ему удалось создать огромный институт физики у.себя на родине и превратить его в центр квантовой революции в 1920-1930-е годы. В его стенах побывали все значимые физики в истории становления квантовой механики, и Бор выступил катализатором этих глубоких изменений.

Действительно, одна из интерпретаций квантовой физики получила название «копенгагенской», Бор сформулировал ее в 1927 году. В этом подходе были поставлены под сомнение такие идеи, как каузальный детерминизм, траектория частицы и само понятие частицы, локализованной в пространстве- времени. Эта интерпретация привела его к полемике с Эйнштейном, который не принимал неопределенность физики, предложенную Бором. Для немецкого физика вероятности для предсказания возможных результатов эксперимента — это плод нашего невежества; для Бора контингенция (случайность) есть свойство самого мира, и нет никакого смысла пытаться выйти за пределы вероятностных прогнозов, когда речь идет об атомных и ядерных явлениях.

На карьере Бора заметно сказались обе мировые войны. Первая разразилась, когда он формулировал принципы своей модели атома, и нарушение связей в физическом сообществе повлияло на принятие его теории в научных кругах. В то же время нейтралитет Дании позволил ему продолжить работу во время конфликта и после окончания войны превратить недавно созданный Институт теоретической физики в место, где ученые со всего мира, будь то представители стран-победителей или побежденных, могли встречаться без каких-либо дипломатических проблем.

Зато ущерб от Второй мировой войны оказался тяжелым вдвойне. Преследование так называемой «еврейской» науки гитлеровским режимом поставило Бора перед моральным выбором. В итоге он принял решение воспользоваться своими связями и источниками финансирования и помочь бежать как можно большему числу преследуемых немецких ученых. Дальнейшая эскалация военного конфликта привела его к активному участию в создании атомной бомбы, в Проекте Манхэттен.

Пока война набирала обороты, произошла одна из самых известных встреч в истории физики XX века — встреча Бора и его бывшего ученика и друга Вернера Гейзенберга, которого нацисты «наняли» для создания атомной бомбы в завоеванной Гитлером Дании. Неизвестно, о чем они говорили, хотя имеется множество предположений, в любом случае эта встреча — яркий пример этической проблемы, с которой часто сталкиваются ученые.