Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности - Манжит Кумар

Вернувшись в начале сентября в Копенгаген, Нильс и Маргрет поселились в небольшом доме в престижном пригороде Хеллеруп на берегу моря. В Дании, где был лишь один университет, физику найти вакансию было трудно6. Как раз перед свадьбой Бор принял предложение стать помощником преподавателя в техническом колледже [Loereanstalt]. Каждое утро Бор ехал на велосипеде на работу. “Он все время работал и, казалось, всегда спешил”, — вспоминал позднее один из преподавателей7. Спокойный, курящий трубку старейшина физиков — все это было впереди.

Кроме того, Бор служил приват-доцентом в университете: он читал курс термодинамики. Как и Эйнштейн, Бор считал подготовку к лекциям слишком утомительной. Тем не менее, по крайней мере один студент оценил его усилия и был признателен за “ясность и лаконичность”, с которой он “преподносил трудный материал”, а также за “мастерство” изложения8.

Преподавание и обязанности ассистента оставляли слишком мало времени для упорной работы над разрешением противоречий, раздирающих атом Резерфорда. Постоянно спешащему молодому человеку казалось, что он двигается вперед слишком медленно. Бор надеялся, что написанный им в Кембридже текст для Резерфорда (“резерфордовский меморандум”), в котором излагались его еще недостаточно точно сформулированные идеи структуры атома, станет основой статьи, которая будет готова к публикации сразу после медового месяца9. Этого не произошло.

“Видите ли, — признался Бор полвека спустя в одном из своих последних интервью, — к сожалению, очень многое, написанное там, ошибочно”10. Однако уже тогда он нащупал ключевую проблему — нестабильность атома Резерфорда. Согласно теории электромагнетизма Максвелла, электрон, двигающийся по кругу вокруг ядра, должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Этот непрекращающийся расход энергии приводит к тому, что электрон, двигаясь по спирали, быстро падает на ядро. Нестабильность, связанная с излучением, была настолько хорошо известным дефектом атома Резерфорда, что Бор даже не касался ее в своем “меморандуме”. Что действительно его беспокоило, так это механическая нестабильность, мешающая существованию такого атома.

Резерфорд, предположив, что электроны вращаются вокруг ядра как планеты вокруг Солнца, ничего не сказал о том, как электроны располагаются внутри атома. Было понятно, что конфигурация из отрицательно заряженных электронов, двигающихся по кругу вокруг ядра, нестабильна из-за силы отталкивания, действующей между одинаково заряженными частицами. Не могут электроны находиться и в состоянии покоя, поскольку заряды противоположного знака притягиваются и, значит, будут сдвигаться по направлению к положительно заряженному центру. С этого утверждения начинался “меморандум” Бора: “Без учета движения электронов равновесной конфигурации в таком атоме быть не может”11. Перед молодым датчанином стояло множество проблем. Электроны не могут образовывать кольцо, они не могут покоиться, не могут двигаться по орбите вокруг ядра. А если в центре атома находится крошечное ядро, сравнимое с точкой, то модель Резерфорда не позволяет определить радиус атома.

Многие физики полагали, что проблемы, связанные с устойчивостью, — сокрушительный аргумент против модели атома с ядром Резерфорда. Но для Бора они указывали на ограниченность физических представлений, лежащих в основе описания атома, и предсказывали их скорую кончину. Его определение радиоактивности как “ядерного”, а не “атомного” явления, новаторская работа о радиоэлементах, позднее названных Содди изотопами, и о заряде ядра убеждали Бора, что атом Резерфорда на самом деле стабилен, несмотря на предсказания общепринятых физических теорий. Вопрос, на который Бор должен был дать ответ, звучал так: а почему?

Поскольку уже было ясно, что если следовать за Ньютоном и Максвеллом, то не избежать падения электрона на ядро, Бор решил, что “к вопросу о стабильности надо подходить по-другому”12. Он понимал, что сохранить атом Резерфорда можно только путем “радикальных изменений”. И Бор решил сосредоточиться на кванте, нежеланном детище Планка, в защиту которого выступил Эйнштейн13. Утверждение, что при взаимодействии излучения и материи энергия поглощается и испускается только порциями определенных размеров, выходило за рамки освященных веками представлений классической физики. Хотя Бор, как и почти все, не верил в кванты света Эйнштейна, ему было ясно, что “каким-то образом атом управляется квантами”14. Но в сентябре 1912 года у него еще не было даже догадки, как это может происходить.

Всю жизнь Бор любил детективы и, как частный сыщик, пытался найти ключ к тайне. В данном случае ему прежде всего надо было разобраться с предсказанием нестабильности атома. Будучи уверенным в том, что атом стабилен, Бор сделал решающий шаг: он ввел понятие стационарного состояния. Планк, чтобы объяснить экспериментальные данные, сначала придумал формулу для излучения абсолютно черного тела, а уж потом попытался ее получить. И тогда он натолкнулся на квант. Бор использовал ту же стратегию. Он начал с того, что переделал модель атома Резерфорда так, чтобы электроны, вращающиеся вокруг ядра, не излучали энергию. Только после этого он постарался это обосновать.

Классическая физика не накладывает ограничений на положение орбит внутри атома. Бор ввел такие ограничения. Как архитектор, проектирующий здание в точном соответствии с требованиями взыскательного клиента, он разместил электроны на “специальных” орбитах. Двигаясь по таким орбитам, электроны не излучают непрерывно энергию и не падают по спирали на ядро. В этом чувствовалась рука гения. Бор был уверен, что в атомном мире некоторые законы физики не выполняются, и поэтому “проквантовал” орбиты электронов. Планку, чтобы получить формулу для излучения абсолютно черного тела, пришлось “проквантовать” энергию, поглощаемую и испускаемую воображаемыми осцилляторами. Бору пришлось отказаться от общепринятой точки зрения, согласно которой электрон может вращаться вокруг ядра, находясь на произвольном расстоянии от него. Электрон, возражал он, из всех допустимых классических орбит выбирает только избранные “стационарные” орбиты.

Такое ограничение в полной мере устраивало Бора, пытавшегося собрать жизнеспособную модель атома. Но, несмотря на это радикальное утверждение, противоречащее физическим канонам, он продолжал двигаться по порочному кругу: электроны, занимающие специальные орбиты, не излучают энергию; электроны не излучают энергию, потому что находятся на специальных орбитах. До тех пор, пока ему не удастся предложить истинно физического объяснения стационарных состояний — разрешенных орбит электронов, — они будут восприниматься только как нечто, напоминающее строительные леса, возведенные теоретиком для поддержки дискредитировавшей себя модели.

В начале ноября Бор написал Резерфорду: “Надеюсь, смогу закончить статью за несколько недель”15. Прочитав письмо, Резерфорд понял, что Бор все сильнее волнуется. Поэтому он ответил, что никакой спешки нет, “не надо торопиться с публикацией”: не похоже, что кто-либо еще занимается этой проблемой16. Неделя шла за неделей, но сдвинуться с мертвой точки не получалось. Слова Резерфорда не убедили Бора: если пока никто всерьез и не взялся за раскрытие загадки атома, то это только вопрос времени. Надеясь на прорыв, в декабре Бор попросил несколько месяцев отпуска. Разрешение было получено, и вместе с женой он поселился за городом. Здесь Бор продолжил поиск ключей к разгадке тайны атома. Один из них он нашел ближе к Рождеству в работе Джона Николсона. Сначала он вообразил худшее, но вскоре понял, что этот англичанин угрозы для него не представляет.

Николсон, с которым Бор встретился во время своего бесплодного пребывания в Кембридже у Томсона, не произвел на него впечатления. Он был всего на несколько лет старше Бора (Николсону был тридцать один год) и недавно получил место профессора математики в Университетском колледже Лондона. Николсон тоже занимался построением собственной модели атома. Он считал, что на самом деле все элементы суть комбинации четырех “примитивных атомов”. Каждый из этих “примитивных атомов” состоит из ядра, окруженного электронами, образующими вращающееся кольцо. Число электронов в каждом из них разное. И хотя, по словам Резерфорда, Николсон устроил из атома “ужасную мешанину”, именно в его работе Бор отыскал второй ключ к разгадке мучившей его тайны. Это было физическое объяснение сущности стационарных состояний, то есть причины, по которой электроны могут располагаться только на определенных орбитах вокруг ядра.

Тело, двигающееся по прямой линии, обладает импульсом. Импульс есть масса тела, помноженная на его скорость. Электрон, двигающийся по кругу, обладает так называемым угловым моментом. Обозначим его буквой L. Он равен массе электрона, помноженной на его скорость и на радиус орбиты: L = mvr. В классической физике нет ограничений на величину углового момента электрона (или какого-либо другого двигающегося по кругу тела).