Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Он дремал, поглядывал на звезды, и тут перед ним возник образ: атом как Солнечная система — в середине ядро вместо Солнца, а вокруг крутятся электроны как планеты. Такая модель не могла быть принята современниками[4] — она противоречила теории электромагнетизма Максвелла, согласно которой любой заряд, движущийся с ускорением, в частности вращающийся, должен излучать волны и тереть на это энергию. Значит — в случае движения по окружности — падать на центр за одну миллиардную долю секунды. Но Резерфорд ее упрямо отстаивал (сотрудники называли его за упрямство, своеобразное чувство юмора и громогласность Крокодилом): атом почти пустой — ядро в 10 тыс. раз меньше атома в целом, а электроны крутятся вокруг него!

Это высшая музыкальность в области мысли.

А. Эйнштейн

В том же году к Резерфорду приехал на стажировку молодой датский физик Нильс Хендрик Давид Бор (1885–1962, Нобелевская премия 1922). Вся лаборатория быстро убедилась в том, что ни к каким приборам его и близко подпускать нельзя — ломались самые, казалось, прочные установки (он некогда входил в сборную Дании по футболу, и когда в 1922 г. в Стокгольме ему была вручена премия, одна датская газета написала, что «известному футболисту Нильсу Бору» присуждена Нобелевская премия). Резерфорд со вздохом разрешил ему сидеть за столом и только думать — теоретиков он недолюбливал, да и профессия такая еще как-то официально не отделилась.

Бор думал медленно, но упорно и все равно ничего не получалось: ведь по электродинамике Максвелла, гениального и неоспоримого, всякий заряд, когда его ускоряют, должен излучать электромагнитные волны, постепенно тереть энергию и замедляться, падать на ядро — такой атом заведомо неустойчив. Единственное, по сути дела, что уже установлено, но только подбором экспериментальных данных без теоретического обоснования — это комбинационный принцип Ридберга — Ритца: частоты излучений атомов (точнее всего, атома водорода) можно представить в виде серий, а все они являются разностью двух каких-то величин.

А в атоме Резерфорда электроны, если они крутятся вокруг ядра, должны все время испытывать ускорение (по Первому закону Ньютона, тело может двигаться без ускорения только по прямой линии).

Значит, кто-то не прав — или божественные Ньютон и Максвелл, или сам уже знаменитый Резерфорд!

И Бор испрашивает отпуск — он решил жениться и отправиться в свадебное путешествие в Южную Америку с красавицей Маргарет. (Она сохраняла красоту и какое-то особое благородство осанки даже в 70 лет, когда они посетили СССР.)

В подростковом возрасте Н. Бор часто присутствует на обсуждениях философии Серена Кьеркегора (1813–1855), которые его отец, профессор-физиолог, ведет дома с коллегами. В свою романах и философских эссе Кьеркегор резке полемизирует с Гегелем, с его идеями спирального развития, много говорит о прерывности, о роли скачков в истории и в природе. И имение Бор ввел скачкообразность в ранее как бы гладко протекающие физические процессы. (Позднее Бор отмечал и влияние Б. Спинозы.)

И вот с корабля Бор телеграфирует Резерфорду: решение найдено! Необходимо принять новые аксиомы: вообще говоря, все правы, но есть исключения — если электрон крутится вокруг ядра по определенным, только по строго определенным (стационарным) орбитам, то он ничего не излучает, т. е. к движению по этим орбитам законы Максвелла не применимы. А вот при переходе с орбиты на орбиту он излучает, переходя вниз, или поглощает при переходе вверх, но только определенную, согласно Планку, энергию. Вот так! (Насколько я знаю, это было единственное свадебное путешествие, внесшее такой вклад в науку!)

Это новая парадигма, новые аксиомы (1913), но Бор не только объясняет, вводя их, опыты Резерфорда, он объясняет, и притом точно, местоположения бесконечных (их путаницу называли зоологией) спектральных линий водорода — вспомните рассказ о Бальмере[5], выводит те цифры, которые Бальмер нашел простым подбором, объясняет появление и других серий линий в спектре водорода, принцип Ридберга — Ритца и т. д. И всюду при этом присутствует постоянная Планка: без нее, на основе только величин заряда и массы электрона и скорости света, нельзя образовать те численные величины, которые нужны теории (подчеркнем, что соображения размерностей и простоты всегда играют существенную эвристическую роль в теории).

Фактическое подтверждение теории Бора (это, правда, не сразу поняли) дало определение точного местоположения электронных уровней, которое установили в 1912–1914 гг. Джеймс Франк (1882–1964) и Густав Людвиг Герц (1887–1975, племянник Г. Герца, в 1945–1956 гг. жил и работал в г. Сухуми). Они исследовали столкновения электронов с атомами и показали, при каких энергиях возбуждается, а потом излучает электрон на определенной боровской орбите, тем самым они доказали и справедливость соотношения Планка между энергией и частотой кванта (Нобелевская премия 1925 г.).

Эйнштейн, с которым Бор познакомился в 1920 г., писал о нем Эренфесту: «Это необычайно чуткий ребенок, который расхаживает по этому миру как под гипнозом». Он, однако, сразу же принял и одобрил подход Бора (позже Эйнштейн как-то обронил, что схожие идеи и ему приходили в голову, но он был полностью занят разработкой общей теории относительности).

Как странную теорию Бора восприняли в мире? Наиболее авторитетный англичанин, лорд Рэлей, заявил, что пожилые люди не должны вмешиваться и мешать молодым в их фантазиях — все равно перестраиваться уже невозможно. Ну а молодые? Отто Штерн (1888–1969, Нобелевская премия 1943 г.) вспоминал в старости, что он и Макс фон Лауэ, тоже будущий нобелевский лауреат, ранее первым приехавший к Эйнштейну и поддержавший теорию относительности, поклялись друг другу в 1914 г., что они откажутся от занятий физикой, «если в этой боровской бессмыслице что-то есть»; оба, к счастью, обещания не сдержали…

Нильс Бор обладал необычайной способностью генерировать новые научные идеи и обсуждать идеи своих учеников. Поэтому Копенгаген стал «столицей атомной физики» и Меккой для исследователей атома из всех стран. При этом, как писал его ученик К. Ф. фон Вайцзеккер, «выдающиеся математические способности или даже виртуозность в той мере, в какой ими обладают многие из его учеников, ему не даны. Он мыслит наглядно и с помощью понятий, но не собственно математически». Ученики Бора шутили, что он знает будто бы только два математических знака: «меньше, чем…» и «приблизительно равно». (Сюда же относится его знаменитый афоризм: «Что не экспонента, то логарифм», — сложные формулы он не любил.)

Пауль (Павел Сигизмундович) Эренфест (1880–1933) выполнил с женой Татьяной Афанасьевой логический анализ статистической механики, ввел классификацию фазовых переходов, доказал правила перехода от квантовой теории к классической. В 1907–1911 гг. работал в Петербурге, затем стал преемником Лорентца в университете Лейдена, друг Эйнштейна и А. Ф. Иоффе. Трагически ушел из жизни: застрелил психически безнадежно больного сына и тут же покончил с собой.

Красота издавна превратила кристаллы (от греческого «кристаллос» — первоначально, лед) в предметы собирания и повысила их ценность. Физики не могли оставаться равнодушными к их свойствам и, естественно, пытались понять их структуру, классифицировать кристаллы по каким-то свойствам и по форме (вначале, еще в XVIII в., с целью найти наилучшие способы огранки). Поэтому кристаллография обычно делится на геометрическую, физическую и химическую.

Геометрическая кристаллография установила, используя математический аппарат теории групп, что все кристаллы можно подразделить на определенное число классов и групп по их свойствам симметрии. Таким образом, если задать положение любого атома и его ближайших соседей, то можно восстановить всю кристаллическую решетку.

Схема эта, однако, оставалась чисто умозрительной — никто ведь расположения атомов не видел и не надеялся увидеть. История того, как их удалось увидеть, естественно разделяется на несколько частей.

Началась она с того, что в 1912 г. Арнольд Зоммерфельд (1868–1951, один из крупнейших физиков-теоретиков первой половины XX в.) поручил своему ассистенту Максу фон Лауэ (1879–1960) написать для «Физической энциклопедии» статью по волновой оптике, и Лауэ решил детальнее ознакомиться с дифракцией световых волн.

В это время его друг Пауль Эвальд (1888–1985), тоже ученик Зоммерфельда, изучал оптические свойства кристаллов и решил обсудить их с Лауэ, который ничего о кристаллах не знал. В разговоре он упомянул, что расстояние между атомами в кристаллической решетке должно быть порядка одной тысячной длины волны света. И тут Лауэ осенила неожиданная идея: он был сторонником волновой теории рентгеновских лучей (проблема их природы живо обсуждалась в то время), а так как получалось, что межатомные расстояния в кристаллических решетках примерно в 10 раз больше, чем предполагаемые длины волн рентгеновского излучения, то он предположил, что при прохождении лучей через кристалл должна отчетливо «высвечиваться» дифракционная картина. Получаться она должна потому, что из кристалла по различным направлениям должно исходить рассеянное на отдельных атомах рентгеновское излучение и порождать светлые точки, куда приходят лучи, совпадающие по фазе и поэтому усиливающие друг друга, и темные области, где сходятся лучи, в той или иной мере не совпадающие по фазе и поэтому гасящие друг друга.