Даниил Данин - Вероятностный мир
6
Эйнштейн не объяснил, что такое музыкальность мыс ли. Да и вряд ли это поддается прозаическому истолкованию. Между прочим, в отличие от Эйнштейна — искусного скрипача и в отличие от Планка — искусного пианиста Бор совсем не был музыкантом. Но тут речь о другом — о гармоничности в мышлении. И еще: о чертах гармоничности в самой структуре квантовой теории атома.
При знакомстве с нею невольно вспоминалась «музы ка сфер» древних натурфилософов — идея предвычисленной гармонии в движении небесных тел. Вспоминалась пифагорейская гармония целочисленных отношений в устройстве мира.
А на карандашном наброске квантовой модели череда атомных уровней энергии походила на разлиновку нотной бумаги. Довольно было проставить, как нотные знаки, черные точки электронов, скачущих по этим линейкам, и сама собой напрашивалась метафора: так природа играет спектральную музыку цветового разнообразия мира. (Слова о «спектральной музыке» произнес Зоммерфельд.)
Еще вчера ничего не знавший о формуле Бальмера, теперь Нильс Бор обследовал с понятным волнением все подобные формулы, накопившиеся в оптике. Их авторы по примеру швейцарского учителя описывали чередование частот в других сериях спектральных линий, и не только водорода. А последняя по времени создания — самая обобщенная — формула Вальтера Ритца давала такое описание для любых спектральных серий.
Легко вообразить, с каким нарастающим ликованием тихий датчанин снова и снова убеждался в своей правоте: все спектральные линии всегда получались из комбинации двух величин, разделенных знаком вычитания!
А в формуле Ритца вдобавок была новая черта, какой не было у Бальмера: обе величины — и энергия атома после излучения, и энергия до излучения — оказывались переменными, и обе зависели от смены целых чисел. Бор этого уже ожидал. Такое усложнение объяснялось без труда. Оно обозначало, что электроны, излучая кванты, вовсе не обязаны были каждый раз падать на самую нижнюю ступеньку энергетической лестницы. Электрон мог сверху упасть на любую промежуточную орбиту, разрешенную природой, и начать устойчиво вращаться по ней. И потому энергия атома после излучения тоже может быть переменной.
Иначе: двигаться скачками по лестнице уровней энергии можно как угодно, прыгая через одну, через две, через три ступеньки или на всю глубину. От размаха прыжка зависит лишь величина испускаемого при этом кванта — цвет спектральной линии.
Формула Ритца недаром называлась комбинационным принципом в спектроскопии: к комбинированию целых чисел сводилось вычисление частот в атомных спектрах. До Бора оставалось лишь неведомым, что нумеруют эти целые числа, откуда они берутся… Сеть перенумерованных электронных орбит?.. Нумерация ступенек энергетической лестницы?.. Прерывистая последовательность устойчивых — стационарных — состояний атома?.. Такие образы и понятия не могли присниться физику–классику с его многовековым культом непрерывности в физических процессах.
Вальтер Ритц работал в Геттингене и принадлежал к выдающейся школе спектроскопистов. И сам он обнаружил талант выдающегося исследователя, когда в возрасте тридцати лет опубликовал свой комбинационный принцип (1908). Но он не сумел разглядеть его прозрачного смысла. Равно как и Бальмер, не понял своей формулы. А нам надо понять, что тут не было их вины.
Старый Бальмер умер в 1898 году — за два года до рождения идеи квантов излучения.
Молодой Ритц безвременно ушел из жизни в 1909 году — за два года до рождения планетарной модели атома.
Меж тем этой идее и этой модели следовало не только появиться на свет, но и встретиться в одной голове, чтобы вдруг раскрылся механизм того инструмента, на каком природа наигрывает спектральную музыку. Или менее красиво, но столь же верно: чтобы раскрылся метод, каким природа ведет свои красочные ведомости по расходу–приходу электромагнитной энергии в атомах.
Вместе с объяснением рождения спектров автоматически пришло к планетарной модели избавление от призрака неустойчивости вещественного мира.
Обещанное Резерфордом в 11–м году будущее решение проблемы устойчивости теперь логически вытекало из двух постулатов, провозглашенных Бором. Нам они уже знакомы — тут все время шла речь именно о них:
— по первому постулату у атома есть прерывистая последовательность стационарных состояний,
— по второму постулату при переходах между этими состояниями атом излучает кванты энергии. Сразу видно: среди набора возможных стационарных состоянии одно отлично ото всех прочих — оно ниже остальных по уровню энергии. И потому из этого состояния атому спускаться уже некуда. Потеря энергии в таком состоянии атому уже не грозит — он может пребывать в нем сколько угодно!
На языке электронных орбит это значило, что в атоме есть первая разрешенная электрону орбита — ближайшая к ядру. Ниже электрону уже не найти пути для вращения — нет никакого целого числа между 0 и 1.
Двадцать с лишним лет спустя, пародируя английскую балладу «Дом, который построил Джек», физики сочинили в Копенгагене песенку — к 50–летию своего шефа — «Атом, который построил Бор». Этот атом походил на свайные небоскребы, придуманные Ле Корбюзье: все этажи нормально покоятся один на другом, и только первый этаж не покоится на земле — он висит в воздухе, держась на бетонных сваях. Так и первая орбита в атоме проходит высоко над ядром, но пространство между ядром и этой орбитой — нежилое для электрона: там нет никакого разрешенного уровня энергии. На первой орбите электрон может вращаться бессрочно.
Это состояние атома отличается, стало быть, наибольшей устойчивостью. Бор назвал его основным. И тотчас приобрел разумный смысл вопрос о размерах атома. Любая орбита задавала собою его возможные границы — он мог как бы раздуваться. Но самыми нерушимыми и тесными границами были те, что очерчиваются ближайшей к ядру орбитой. Ее радиус и следовало принять за нормальный размер атома.
Бор сумел его вычислить: порядка 10–8 сантиметра.
Стомиллионная доля сантиметра — 1 ангстрем… Физикам и химикам была уже знакома эта величина для атома водорода: ее получали по косвенным оценкам из экспериментальных данных. А теперь ее удалось вывести прямо из атомной структуры! Это произвело сильнейшее впечатление на современников.
И не меньшее впечатление произвело еще одно число: 109 000.
Такое значение Бор получил для спектроскопической константы, входившей во все спектральные формулы. Ее называли константой Ридберга. Опытная ее величина равнялась 109 675.
Согласие теории и эксперимента было поражающим.
Квантовое понимание атома явно заслуживало доверия. И не только доверия… Не только? А на какое же еще одобрение вправе расчитывать научная теория?
Резерфордовец Дьердь Хевеши, прочитав в английском журнале основополагающую работу Бора, тотчас написал ему: «Ваша статья была для меня неисчерпаемым источником наслаждения». И постарался объяснить, почему:
«Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые… Эта «интеллектуальная несчастливость» всего более и побуждает нас думать — делать науку».
Тут выразилась яркая психологическая черта, общая у ветеранов квантовой революции в физике. По их воспоминаниям, письмам, устным свидетельствам можно легко почувствовать, как постоянно двигало ими творческое стремление избавиться от «интеллектуальной несчастливости», которую они переживали тем острее, чем что сознавали: в их исканиях должны раскрыться фундаментальные связи между разрозненными фактами…
Хевеши признался, что в те часы, когда он штудировал квантовую теорию атома, его можно было счесть по–настоящему счастливым человеком.
Глава четвертая. Дорога во тьме.
1
Вполне логично говорить, что научное открытие уменьшает область неизвестного. Но не менее логично утверждать, что она при этом увеличивается. По вине самого открытия и увеличивается. Когда человек идет в гору, веред ним все раздвигается горизонт, но и все протяженней становятся земли, лежащие за горизонтом.
Об этом давно замеченном свойстве научного прогресса прекрасно сказал однажды Луи де Бройль:
«В большой аудитории Сорбонны на отличной фреске, созданной Пюви де Шаванном, изображены на обширной поляне фигуры, несколько стилизованные, согласно обычной манере этого художника; они символизируют человечество, наслаждающееся самыми возвышенными духовными радостями: литературой, наукой и искусством; но эту светлую поляну окружает темный лес, который символически указывает нам, что, несмотря на блестящие завоевания мысли, тайны вещей продолжают окружать нас со всех сторон.
Да, мы находимся в центре огромного темного леса. Понемногу мы освобождаем вокруг себя небольшой участок земли и создаем маленькую поляну. И теперь, благодаря успехам науки, мы непрерывно и во все возрастающем темпе раздвигаем ее границы. Однако все время перед нами пребывает эта таинственная опушка леса — непроницаемого и безграничного леса Неведомого».
