Даниил Данин - Вероятностный мир
3
Теоретическое исследование датчанина началось в Манчестере почти год назад с одобрения Резерфорда. Потом свое вдохновляющее одобрение он высказывал в письмах. А теперь, в марте 13–го года, прочитав законченную работу Бора, Папа должен был препроводить ее со своей рекомендацией в «Философский журнал». Меж тем он увидел, что вызывает сомнения разумность самих основ этой работы. Нечто посерьезней «свободы воли» электрона обеспокоило Резерфорда. Бор прочитал в его письме:
«Ваши взгляды на механизм рождения водородного спектра очень остроумны и кажутся отлично разработанными. Однако сочетание идей Планка со старой механикой делает весьма затруднительным понимание того, что же лежит в основе такого механизма…»
Действительно, на орбитах электроны–планеты двигались вокруг солнца–ядра по законам классической механики, а между орбитами излучали свет по квантовому закону Планка. В одной картине сочеталось несочетаемое: классическая непрерывность и квантовая прерывистость.
Чуть позднее Резерфордов друг Вильям Брэгг пошутил, что теория Бора предложила физикам пользоваться по понедельникам, средам и пятницам классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам — квантовыми. Математически все выглядело исправно, а физически двусмысленно.
Как уязвима была та первая квантовая картина атома!
Почтеннейший геттингенский спектроскопист профессор Карл Рунге позволил себе высказаться так: «Теперь спектроскопическая литература будет навсегда загрязнена ужасными вещами». (В одном он был прав: навсегда!) А о самом Боре он отозвался еще благозвучней: «Этот субъект положительно сошел с ума!» Зять Карла Рунге, известный математик Рихард Курант, подружившийся в ту пору с копенгагенцем, не рисковал пересказывать ему все, что срывалось с языка возмущенного тестя. И полвека спустя историки физики услышали от Куранта–старика гораздо больше, чем слышал в свое время от молодого Куранта молодой Бор.
А когда осенью того же 13–го года на ученом заседании в Англии попросили выразить свое мнение о квантовой теории атома могучего классика лорда Рэлея, тот с улыбкой уклонился от предложенной чести:
— В молодости я строжайше исповедовал немало добропорядочных правил и среди них — убеждение, что человек, когда ему перевалит за шестьдесят, не должен высказываться по поводу новейших идей. Хотя мне следует признать, что ныне я не придерживаюсь такой точки зрения слишком уж строго, однако все еще достаточно строго, чтобы не принимать участия в этой дискуссии!
Покоряюще тонко было сказано, а все–таки Рэлей принял участие в той дискуссии, сам не заметив этого. В его речи прозвучали еще и такие слова:
— Мне трудно принять все это в качестве реальной картины того, что действительно имеет место в природе.
Выяснилось, между прочим, что для отрицания «новейших идей» вовсе не обязательно быть шестидесятилетним. Не обязательно быть даже старше того, кто их провозгласил. Отто Штерн был на три года моложе Бора, и ему исполнилось в 13–м году лишь двадцать пять, а он тогда поклялся, что «бросит физику, если эта нелепость окажется правдой». (Так он впоследствии говорил своему ученику Отто Фришу.)
В те же осенние дни 13–го года, когда сказал свое слово стареющий Рэлей, на другом ученом заседании — не в Англии, а в Швейцарии — всего только тридцатичетырехлетний Макс Лауэ, недавний ассистент Планка, откликнулся на теорию Бора короткой репликой: «Это вздор!.. Электрон на орбите должен излучать!» К счастью, случившийся на том же цюрихском заседании Эйнштейн не оставил реплику коллеги без столь же короткого возражения: «Нет, это замечательно! И что–то кроется за этим…» А Эйнштейну тоже было тридцать четыре. Так что снова видно: возрастные обобщения всегда ненадежны. Решает что–то другое…
Ничего более громкого, чем «это очень остроумно», Резерфорд в момент появления теории Бора не сказал. Но наверняка, подобно Эйнштейну, подумал: «Что–то кроется за этим!» Хотя примчавшийся в Манчестер двадцативосьмилетний датчанин не сумел в многочасовой дискуссии развеять ни одно из его сомнений, Папа благословил ту работу и препроводил ее в печать.
Это был акт широты и терпимости. Тем более удивительный акт, что Резерфорд никогда не давал ходу исследованиям, если они казались ему недостаточно достоверными. Да, конечно, он почуял за постулатами Бора некую высшую достоверность, которой еще предстояло раскрыться. По собственному опыту он знал, что без широты и терпимости науке не жить!
4
В час той же первой публичной дискуссии о квантовом истолковании атома, когда Рэлей произнес крылатую фразу о шестидесятилетних, слово попросил только–только ставший шестидесятилетним Лоренц. Он полюбопытствовал: «Как объясняется атом Бора с точки зрения механики?» Многие сочли этот вопрос язвительным, но язвительность не вязалась с образом Лоренца.
Бор понял: с тем же нелукавящим прямодушием, что и Резерфорд, Лоренц спрашивал о наиглавнейшем — о логической связи между квантовыми постулатами и классической механикой. Нуждались в механической расшифровке две вещи: существование в атоме лишь прерывистой последовательности разрешенных орбит и скачки электронов с орбиты на орбиту. Что мог ответить Бор?
Квантовые постулаты не выводились из классики. Иначе они не были бы, во–первых, постулатами, во–вторых, квантовыми.
Хотя паутина дозволенных орбит и скачки с испусканием квантов равно чужды классической картине природы, для нашего воображения есть ощутимое различие между этими образами. Первый, в общем–то, легко представить, а второй совершенно непредставим. Неважно, что орбиты незримы: мысленно мы их легко прочерчиваем одну за другой в пространстве атома — так же, как пути планет в пространстве Солнечной системы. Это застывающий в неподвижности геометрический образ. А скачок — образ движения: он требует от нас рисовать себе процесс перемещения электрона между орбитами. Казалось бы, и это так просто! Но на нашу беду, скачки в теории атома — квантовые. И это превращает простое в невозможное. Наше воображение пасует.
У квантовых скачков есть начало и конец, а середина — самый процесс перескока — проваливается для обычного механического описания. Оно неосуществимо: делить квантовый скачок на более мелкие, а те на еще более мелкие, чтобы проследить течение этого события, запрещается сутью дела. Это ведь было бы попыткой дробления кванта на части — на все меньшие квантики излучения. Иными словами, это стало бы разрушением самой идеи неделимых квантов энергии. И атом, где овеществлялось бы такое дробление, излучал бы свет непрерывно. Его спектр выглядел бы сплошным, а не линейчатым.
Впервые физика столкнулась с физическими событиями, у которых нет механической истории. И вместе с классической механикой наше воображение отказывается служить нашей мысли. Недаром же много лет спустя после рождения теории Бора Лев Ландау сказал, что квантовые идеи оказались еще более «дикими», чем идеи теории относительности.
Так что же мог ответить Нильс Бор в 1913 году на вопрос Лоренца? Логической связи с классикой не наблюдалось. С полной убежденностью Бор сказал только одно:
«…Так как без квантовой теории не обойтись, то какая–нибудь схема, включающая прерывности и скачки, все равно необходима!»
И на это уж нельзя было возразить.
А все–таки была точка пересечения, где сразу наметилась глубокая связь между классическими законами и квантовыми чертами в картине атома. Эта связь, названная Бором поначалу «соображениями сходства», стала потом содержанием его знаменитого принципа соответствия.
…У лестницы устойчивых уровней энергии в атоме было и сразу бросалось в глаза преинтереснейшее свойство: чем дальше от ядра, тем ниже делались ступеньки этой лестницы.
Человек, задравший голову у подножья ступенчатой мексиканской пирамиды, видит, как в вышине сходят на нет ее уступы. Но для него это — оптический обман по законам перспективы. На самом же деле все уступы одной высоты. А в атоме они действительно разные — убывание высоты ступенек по мере удаления к периферии атома не иллюзорное, но подлинное. Это показывают формулы и спектры.
Разница между соседними разрешенными уровнями энергии делается все менее заметной. Прерывистость в паутине орбит становится все менее ощутимой. Скачки с уровня на уровень — с орбиты на орбиту — оказываются все короче. В спектрах, отражающих эти скачки, частокол испускаемых линий все уплотняется. Линейчатый спектр начинает походить на сплошной, непрерывный, как если бы атом принимался излучать все световые частоты подряд.
Прерывность постепенно превращается в непрерывность.
Власть квантовых законов постепенно сменяется властью законов классических. Микромир переходит в макромир. Природа прекрасно демонстрирует свое физическое единство.
