Кванты и музы - Ирина Радунская

Бор утверждал, что электроны в атоме не подчиняются классической электродинамике: могут вращаться на опре делённых стационарных орбитах, не излучая энергии. Излучение происходит только при переходах электронов с одной из стационарных орбит на другую — более близкую к ядру. Тут электрон выстреливает порцию энергии — квант.

Бор на этом не остановился. Он сообразил, что величина излученной электроном энергии пропорциональна расстоянию между орбитами! (Сказанное нельзя понимать буквально: речь идёт не столько о расстоянии между орбитами в пространстве, сколько о различии энергий электрона на этих орбитах. — Прим. В.Г. Сурдина)

Если электрон перелетит недалеко, скажем, на соседнюю орбиту, он излучит маленький квант — красного цвета. А если перескочит на более дальнюю орбиту, то успеет излучить квант побольше — голубого или даже фиолетового цвета.

Бор своим предположением убил сразу двух зайцев: объяснил устойчивость атома и понял секрет цветных линий в спектрах излучения разных веществ.

Так, прибегнув к квантовой теории, он связал свою модель атома с опытными данными, полученными при помощи спектрального анализа. Поняв, почему в спектре каждого атома множество разноцветных линий — они иллюстрируют способность атома излучать кванты тех или иных цветов, — он сумел раскрыть и секрет строения атома, узнать схему расположения орбит, их возможное количество, расстояния между ними и многое другое.

Этот момент очень важен для истории науки.

Веками имея дело со сравнительно большими телами, люди привыкли считать, что энергию можно делить на произвольные порции. Когда оказалось, что в микромире это невозможно, что в атомных масштабах энергия способна существовать только как совокупность определённых порций — квантов — и что величину квантов надо определять с помощью новых, не известных ещё законов, многие физики от этого просто поначалу отмахнулись. Но когда датский фантазёр догадался, что квантовые законы обуславливают устойчивость атома — это, конечно же, не могло не изменить умонастроение даже отъявленных скептиков. Квантовые законы спасают мир от ультрафиолетовой катастрофы, делают атомы надёжнее крепостных стен — это было уже очень серьёзно. И внимание учёных в первой четверти прошлого столетия обращено на Копенгаген, где на большом творческом подъёме Бор и его единомышленники — молодые учёные разных национальностей — пересматривали старые истины и искали новые.

Психологически это был трудный поворот. Учёные, не успев привыкнуть к тому, что вместо непрерывных процессов, подчиняющихся законам классической физики, в природе царствует дискретность, прерывистость, должны были начинать новую жизнь: привыкать к мысли, что в микромире уже нельзя пользоваться формулами классической физики. Нужно выявлять квантовые законы и применять их для исследования микромира.

Недоумение, с которым встретили физики выход из тупика, указанный Бором, перешло в триумфальное шествие, когда Бор, а за ним теоретики Вильсон и Зоммерфельд начали на основе модели Бора рассчитывать спектры атома водорода. Модель позволяла наглядно представить и возникновение Периодического закона, открытого Менделеевым. Однако восторг сменился разочарованием, когда выяснились некоторые тонкие расхождения между расчётными величинами и наблюдаемыми спектрами водорода, а затем оказалось, что модель не позволяет рассчитать спектры более сложных атомов, даже второго по сложности атома — гелия. Возникла горькая поговорка: «Атом Бора это не атом бора, а атом водорода».

Так трагической неудачей закончился период величайших успехов физики начала прошлого века.

Тогда существовала надежда, что удастся построить наглядную и непротиворечивую картину мира, основанную на трёх простейших элементах: протонах — ядрах атома водорода, из которых образуются все ядра, электронах — ответственных за все электрические и химические явления, и фотонах — объясняющих все оптические явления и их связь со строением атома. Все эти надежды рухнули.

После перерыва, вызванного Первой мировой войной, физики вновь принялись за работу. Впрочем, физики старшего поколения, не призванные в армию, и в эти годы продолжали искать порванные нити старых и новых теорий.

В эти годы Эйнштейн трудился над обобщением теории относительности, желая найти в ней место для неравномерных движений, например для падения тел в поле тяготения и для вращательных движений. В 1916 году он достиг решающих успехов, опубликовав ряд работ, развивавших общую теорию относительности и позволявших охватить едиными формулами простые движения, поле тяготения и центробежные силы. Этим Эйнштейн заложил основу несбывшейся мечты всей его дальнейшей жизни — мечты о единой теории, описывающей все известные и ещё не открытые поля.

Одновременно Эйнштейн стремился понять, как можно примирить существование фотонов (частиц света) с такими явлениями, как дифракция и интерференция, свидетельствующими о том, что свет обладает несомненными волновыми свойствами.

Эйнштейна тревожило и то, что отсутствовала связь между механизмом взаимодействия энергии с веществом, понятого Планком (формулой Планка, освободившей науку от призрака ультрафиолетовой катастрофы), и боровской моделью атома, получавшей всё большее экспериментальное подтверждение. Нужно было как-то соединить эти две половины одной медали. Ведь то, что происходит внутри атома и вокруг него, несомненно, части одной картины.

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.