Даниил Данин - Нильс Бор

А что, собственно, придумал Зоммерфельд?

Он досконально расчислил ту картину, какая год назад уже привиделась Бору здесь, в Манчестере. Электрон летит по эллипсу, как настоящая кеплеровская планета. Но оттого, что на такой вытянутой орбите огромная его скорость все время меняется — на далеких от ядра участках она меньше, на ближних — больше, — ощутимо меняется в полете масса электрона, и он не возвращается после каждого оборота на одно и то же место, а вяжет петлю за петлей, очерчивая красивую розетку. И получается, что электрон участвует не в одном, а сразу в двух периодических движениях: летит по эллипсу, а эллипс катится вокруг ядра. Два независимых вращения: одно — по орбите, другое — вращение самой орбиты. Первое квантуется по Бору: не любые орбиты разрешены, а лишь прерывистый их ряд. Очевидно, квантуется и второе: не всякое вращение орбиты дозволено — наверное, прерывистая последовательность есть и тут. (Отчего бы природе излишне лукавить?)

Вот и два квантовых числа — боровское и зоммерфельдовское. Теперь стало чем пересчитывать и главные ступени на энергетической лестнице, и малые ступеньки на ней — тонкую структуру. Но всю ли тонкую структуру?

В начале того же военного 16-го года Павел Эпштейн и Карл Шварцшильд выяснили независимо друг от друга, что этого вполне достаточно для расшифровки электрического эффекта Штарка. Однако для магнитного эффекта Зеемана — нет. Тут и двух квантовых чисел мало. (Так, на каждом этаже есть группа квартир. И недостаточно номера дома и номера этажа, чтобы их обозначить.)

Но разве только в двух периодических движениях способен участвовать электрон? Есть еще и третья возможность. Атом — объемная вещь — трехмерная. Лишь орбита электрона плоская. И пока электрон летит, рисуя на плоскости катящийся вокруг ядра эллипс, сама орбитальная плоскость может поворачиваться в пространстве. Вот и третье допустимое вращение. Очевидно, и оно квантуется. (Снова: почему бы природе излишне лукавить?) Наверняка не все положения орбитальной плоскости разрешены, а только их прерывистая череда. Она образует веер в пространстве атома. Или мелькание спиц в колесе. Их тоже нужно уметь пересчитывать. Но для этого необходимо третье квантовое число. Зоммерфельд сумел и его ввести в теорию Бора и, кажется, сам назвал внутренним квантовым числом.

Теперь прояснилось происхождение еще одной разновидности тонкой структуры в строении энергетической лестницы. И это сразу позволило Зоммерфельду вместе с Петером Дебаем описать расщепление спектральных линий в эффекте Зеемана. Ведь именно магнитное поло всегда стремится отклонить электрический заряд в сторону — под прямым углом к его пути. И потому в магнитном поле электрон начинает чувствовать, как поворачивается вся его плоская орбита. Под этим-то силовым воздействием может развернуться в атомном пространстве ветер всех разрешенных природой орбитальных плоскостей.

Правда, со сложным — аномальным — эффектом Зеемана и теперь ничего окончательно верного не получалось. По-видимому, в атоме дремали какие-то еще покуда не раскрывшиеся под теоретической лупой квантовые возможности…

…Озирая с нынешних высот уже пройденную дорогу квантового познания микромира, можно бы заметить, что движение по ней постоянно приводило к поискам все новых квантовых чисел для описания все новых квантовых — прерывистых — пунктирных черт в глубинных свойствах материи.

С поведения атома это началось.

Потом перешло на жизнь ядра.

Потом — на взаимодействие элементарных частиц.

И всякий раз это бывало отважной догадкой. (Уже после Бора прочно утвердились в теории квантовые числа «странность» и «очарование». И в этих названиях отразилась вся непредвиденность их появления.) Догадка сама — скачок мысли. И введение новых квантовых чисел, как правило, бывало прыжком через пропасть логически невыводимого.

Бор совершил первый прыжок. И темной была пропасть перед ним. Зоммерфельд — второй. Но тот берег пропасти был уже чуть посветлее…

Отчего обладали этим странным свойством квантуемости периодические движения в атоме — колебания и вращения? Объяснить это пока не сумел бы никто. Макс Борн, так много сделавший впоследствии для того, чтобы кое-что стало понятно, говорил:

«…боровская теория оставляла совершенно таинственными глубокие причины, лежащие в основе правила квантования…»

Один из тонких теоретиков нашего века, Пауль Эренфест, еще перед войной показал, какие классические величины в атоме могут принимать прерывистый ряд значений. Иначе — становиться квантовыми. Но отчего да почему должно происходить с ними такое превращение в микромире, принцип Эренфеста не объяснял.

И Арнольд Зоммерфельд в своих математических построениях к «таинственным глубоким причинам» квантования тоже дороги не проложил. У него и не было таких претензий. Однажды он скромно признался Эйнштейну:

«Вы раздумываете над фундаментальными проблемами световых квантов. А я, не чувствуя в себе нужных для этого сил, удовлетворяюсь прояснением деталей квантовых волшебств в спектрах. Меня занимают «внутренние квантовые числа», но для понимания их физической сути я ничего не могу придумать».

И в другой раз — тоже Эйнштейну:

«Все ладится, но глубокие основы остаются неясными. Я могу помочь развитию лишь техники квантов. Вы должны построить их философию…»

Выражения, свободные от гнетущей немецкой учености, расцвечивали тогдашние письма мюнхенского профессора. «Квантовые волшебства…», «Счастливая случайность…», «Не правда ли — это красиво?..», «Но вот что еще красивее…» Эти вольности, как крошечные кабинетные фейерверки, взрывались во тьме непонимания. И не освещали тьму — только озвучивали. Но слышалось в них что-то праздничное. (Как в музыке ньютоновского самосознания: «я — мальчик, играющий в камешки на берегу непознанного».) Маленькое словесное совпадение: в нобелевской речи 20-го года то же слово «волшебство» пришло на ум сдержанному Максу Планку, когда он выражал свое восхищение точностью зоммерфельдовских формул.

Так их воспринял и Эйнштейн. И почти теми же словами, что Бор, он откликнулся на них в августе 16-го года, написав Зоммерфельду из Берлина:

«Ваши спектральные исследования принадлежат к разряду самого прекрасного, что я пережил в физике».

И добавил — уже не в боровском, а в своем, единственном, эйнштейновском стиле:

«Если бы я только знал, какие винтики использует при этом господь бог!»

Впрочем, он с самого начала предчувствовал, что благополучия с квантовыми скачками не будет, «…если это правильно, это означает конец физики как науки», — обмолвился он уже в 13-м году по поводу идей Бора. И думал при этом о науке как о прибежище обязательно однозначной — классически понимаемой — причинности явлений. А в 15-м, сетуя, что ничего принципиального в квантовых странностях еще не прояснилось, он, всего только тридцатишестилетний, пессимистически умозаключил: «…моя надежда дожить до этого все уменьшается». И Зоммерфельд обращался не по адресу, когда писал ему, что именно от него ждет «построения философии квантов».