Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

Осенью 1913 года у Бора была очень нестабильная нагрузка, поскольку он вел вводный курс физики для студентов-медиков. Кроме того, как уже было сказано, единственную кафедру в Дании по этой дисциплине недавно предоставили Кнудсену, так что было маловероятно, разве что только по чистой случайности, что эта кафедра освободится в ближайшем будущем. Бор не впал в отчаяние и предложил Копенгагенскому университету создать новую кафедру теоретической физики. Это предложение было несколько абсурдным. В XIX веке во всех университетах мира обычно присутствовало по одной кафедре на дисциплину (одна для физики, другая для химии и так далее). Преподавателю, занимающему кафедру, ассистировали ряд помощников и лекторов; и если те желали развиваться, им приходилось ждать, пока глава кафедры этого или другого университета уйдет на пенсию и освободит место.

Но науки нестатичны, и часто университетская система должна адаптироваться (встречая иногда большое сопротивление) к возникновению новых дисциплин и их ответвлений. Именно это произошло в Германии во второй половине XIX века, когда были созданы несколько новых кафедр для промежуточной между математикой и физикой дисциплины — теоретической физики. Тогда 27-летний Бор решил, что настал момент основать новую кафедру в Копенгагенском университете и возглавить ее: настолько он был уверен в себе. К тому же у него имелись рекомендательные письма многих копенгагенских преподавателей и всемирно известных лиц, таких как его наставник в Манчестере Эрнест Резерфорд.

Этой кафедры пришлось дожидаться, но тут появился другой вариант — временная должность лектора в Манчестерском университете, которую Резерфорд предложил ему на 1914-1915 учебный год. Так Бор вернулся в тот город, где он задумал свою атомную теорию, но... в неудачный момент. Эрцгерцог Франц Фердинанд, наследник трона Австро-Венгрии, был убит в Сараево 28 июня 1914 года. В результате началось то, чего многие уже давно боялись,— масштабная война, охватившая почти все европейские державы. Формально Дания соблюдала нейтралитет, так что Бор смог занять новую должность, предложенную в Манчестере. Но обстановка в университете омрачилась.

Надеясь, что конфликт продлится только несколько недель, многие молодые люди ушли на фронт, и университеты опустели. Вести о потерях в боях оказались неожиданностью, и вскоре стало понятно, что война продлится намного дольше, чем все думали. Молодых британских ученых отозвали с полей сражений домой и привлекли к сотрудничеству с Комитетом научных и промышленных исследований (Board of Invention and Research) для разработки нового оружия и улучшения военной логистики. Комитет возглавил Томсон, он же координировал все работы. Резерфорд занимался исследованиями методов обнаружения ужасных немецких U-Boats, первых подводных лодок, и в итоге достиг успеха с помощью эха звуковых волн (сонара). Будучи иностранцем, Бор не мог работать над военными проблемами, поэтому он сосредоточился на собственных исследованиях и попытался улучшить свою модель атома. Как ни парадоксально, война обеспечила ему и его супруге Маргрет один из самых спокойных периодов в их жизни.

Нильс Бор с супругой Маргрет Норлунд на мотоцикле, около 1930 года.

Снимок, сделанный в Института теоретической физики в Копенгагене (ныне Институт Нильса Бора). Слева направо: Георгий Гамов, Чарльз Лауритсен, Нильс Бор, Эббе Расмуссен, Чандрасекхара Раман и Оскар Клейн.

Весной 1916 года Бор получил новость, что датское правительство утвердило создание кафедры теоретической физики в Копенгагенском университете, и чета решила вернуться на родину. Поскольку это было королевское назначение, требовалось пройти собеседование с королем. Это официальное мероприятие в некотором роде походило на его первую встречу с Томсоном за несколько лет до этого. Король заговорил с Бором о своей страсти к футболу. «Так вы же еще и известный футболист», — сказал монарх, но Бор сразу ответил, что знаменитый футболист — его брат Харальд. Очевидно, что протоколом не были предусмотрены такие ответы, и встреча быстро завершилась. Снова стремление Бора к абсолютной точности поставило его в неловкое положение.

С небеспочвенным оптимизмом Бор не довольствовался одной только кафедрой и сразу же сделал запрос на создание института теоретической физики, оборудованного для экспериментов с радиоактивностью, спектроскопией и некоторыми другими актуальными явлениями. В своем письме университетскому руководству Бор объяснял то, что многие физики того времени уже чувствовали:

«До сегодняшнего дня было достаточно причин предполагать, что так называемые классические механика и электродинамика составляют прочную основу для наших научных идей, [...] но в последнее время было доказано, что эта теоретическая база терпит крах в основополагающих аспектах».

Физика оказалась в кризисе, и требовалось переформулировать ее основные принципы, для чего, как утверждал Бор, ему были нужны не один-два ассистента, а целый институт, который стал бы фабрикой или двигателем новой физики. План был одобрен, и ученый получил деньги — государственные и частные — на возведение Института теоретической физики в Копенгагене. Сегодня он располагается в том же самом здании (хотя с 1965 года называется Институтом Нильса Бора). Несмотря на социальную, экономическую и политическую нестабильность, царившую в Центральной Европе после Первой мировой войны, которая коснулась и Дании, все происходило очень быстро: утверждение, строительство, открытие, состоявшееся в 1921 году, и поступление первых докторантов.

С другой стороны, Бор не переставал получать приглашения из Беркли и Манчестера, ему предлагали читать курс атомной физики в университетах Геттингена и Мюнхена. Все это истощило Бора, и в начале 1921 года ему пришлось взять несколько месяцев отпуска, чтобы утомление не переросло во что-то большее.

Может показаться, что на время войны физика атома полностью замерла, поскольку большинство исследователей были вынуждены заниматься другими темами или поскольку Бор переключился на создание Института теоретической физики в Копенгагене. Отчасти так и было, но только отчасти. В Манчестере Бору, гражданину Дании, не позволяли заниматься «военной» физикой, но другие физики также не внесли никакого вклада в вооруженный конфликт, в основном потому что их знания не могли сослужить службу никакому министерству обороны. Это был случай Макса Планка, специализировавшегося исключительно на теоретической физике, а также Арнольда Зоммерфельда (1868-1951), профессора теоретической физики в Мюнхене.

Во время войны Зоммерфельд продолжал преподавать фундаментальную науку и заниматься популяризацией физики (он даже читал лекции солдатам в увольнении). Значительную часть своей карьеры ученый посвятил пониманию происхождения спектральных линий различных атомов. Так что он был одним из первых, кто оценил как преимущества модели Бора, так и ее ограничения. Главное ограничение заключалось в том, что Бор мог объяснить только самый простой атом (атом водорода) и только при первом приближении. На самом деле уже пару десятилетий была известна так называемая «тонкая структура спектра», в которой каждая линия оказывается дублетной, и первая модель Бора ее не объясняла.

Чтобы усовершенствовать модель, Зоммерфельд ввел два взаимосвязанных изменения. Для начала он провел аналогию с планетными орбитами Солнечной системы и допустил, что орбиты электронов необязательно круговые, а, например, эллиптические. Действительно, математика, описывающая возможные орбиты тела вокруг центра из-за притяжения центральной силы, обратно пропорциональной расстоянию (как в случае с гравитацией или электростатической силой), прогнозирует, что орбиты — это эллипсы; круговые орбиты — лишь частный случай эллипса. Кроме того, Зоммерфельд применил второе квантовое условие к эксцентриситету («удлинению») эллипсов: так же, как в модели Бора допускался скачок с одной орбиты на другую, при условии, что энергия между двумя орбитами кратна постоянной Планка, рассматривались только эллиптические орбиты, эксцентриситет которых соответствовал бы орбите с угловым моментом, кратным постоянной Планка.

Как и в случае с планетами и особенно с кометами, тело, вращающееся по эллипсу вокруг центральной силы (Солнца или атомного ядра), испытывает большую скорость, когда оно находится рядом с центром, чем когда оно далеко от него. Например, поступательное движение Земли быстрее, когда в северном полушарии зима и когда Земля ближе всего к Солнцу, но медленнее летом. Зоммерфельд учел это и связал с общей теорией относительности Эйнштейна, которая тогда широко обсуждалась. Согласно Эйнштейну, поведение электрически заряженных тел испытывает изменения при ускорении или замедлении. Так, приняв эллиптичность орбит, Зоммерфельд смог понять, почему спектральные линии всегда появляются дублетами или триплетами: для одного и того же уровня энергии (квантовое число n) из-за различных эксцентриситетов могут быть различные модели поведения (квантовое число l).