Даниил Данин - Вероятностный мир
Суть их можно кратчайше выразить так: в то время рождалось в физике микромира новое квантовое число.
5
Раз рождалось новое, значит, были уже старые. А на предшествующих страницах еще не прозвучало ни слова о них. Пора восполнить пробел. Он тем ощутимей, что на долгом пути узнавания квантовых черт микромира открытие каждого квантового числа бывало важной вехой. Уже сравнительно недавно — на рубеже 60–х годов — словарь современной физики обогатился терминами «странность» и «очарование». Это — квантовые числа, каких не знавали в своей молодости ветераны эпохи бури и натиска. Для понимания структуры атома эти числа были не нужны. Они понадобились для описания свойств элементарных частиц, в ту пору вообще неизвестных. Появились в строгой науке демонстративно ненаучные слова. Вольные слова, чуждые традиции выращивать термины из греческих и латинских корней. В этих новых квантовых числах отразился вольнолюбивый дух физики нашего века, завещанный ветеранами. И отразилась очарованность физиков странностями глубин материи…
Легко догадаться, что даже самое старое из квантовых чисел было не старше атомной теории Бора. В ней оно возникло в 1913 году. И скоро стало называться главным квантовым числом, поскольку появилась нужда еще и в иных — неглавных.
Дело совершенно понятное: когда обнаружилось существование прерывистой последовательности устойчивых состояний атома, потребовалось ввести в физические формулы целое число для нумерации таких состояний — 1–е, 2–е, 3–е… n–е… Иначе: потребовалось перечислять ступени на энергетической лестнице в атоме. Или: электронные орбиты — череду возможных вращений электронов вокруг ядра. Все это ведь одно и то же. И естественно, что такое число, нумерующее квантовые состояния атома, еще прежде, чем главным, стали называть «квантовым числом Бора».
Все бы этим и ограничилось, когда бы скоро не открылось, что у атома гораздо больше разрешенных природой квантовых состояний, чем подметила теория Бора. Не прошло и трех лет, как пришлось вводить в описание атома еще две последовательности целых чисел — для нумерации еще двух серий возможных уровней энергии. (Так, для домов вдоль улицы нужна одна последовательность чисел, для этажей в каждом доме — другая, для квартир на этаже — третья.) Два добавочных квантовых числа уточнили «планетный адрес» вращающихся в атоме электронов — уточнили адреса их орбит.
Это сделал мюнхенский теоретик Арнольд Зоммерфельд. Некогда напрасно пообещавший виноторговцу в Мозельской долине найти объяснение формулы Бальмера, он восторженно встретил квантовое построение Бора. «Бесспорно настоящий подвиг» увидел он в атомной модели датчанина. И тотчас начал эту модель совершенствовать.
Физики уже знали: стоит поместить излучающие атомы в электрическое или магнитное поле, как с их спектрами начинает происходить диковинное превращение. Прежние линии расщепляются на две, на три, на четыре… В спектрах появляется «тонкая структура», как было названо это превращение.
По модели Бора, удивляться тут было нечему: конечно же, и электрическое, и магнитное поле, каждое по–своему, не могли не влиять на движение электронов — заряженных частиц. Лестница уровней энергии в атоме должна была как–то меняться. Расщепление линий наглядно показывало, что главные — боровские — ступени этой лестницы сами становятся маленькими лесенками с двумя, тремя, а то и больше ступеньками. Возникают наборы новых квантовых скачков. Излучение обогащается новыми квантами. По–другому: паутина разрешенных орбит делается гуще. Природа словно бы становится милостивей и предоставляет электронам больше возможностей вращения вокруг ядра.
Арнольд Зоммерфельд первым расчислил эти новые возможности. Он рассудил так: раз электроны подобны планетам, они движутся не по окружностям, как у Бора, а по эллипсам. И так как они летят с огромными скоростями, без теории относительности их движение описывать грешно. Два неоспоримых уточнения: одно — классическое — по Кеплеру, другое — неклассическое — по Эйнштейну.
По Кеплеру: на эллиптически вытянутой орбите скорость электрона все время меняется не только по направлению, как это бывает в случае кругового движения, но и по величине. Вдали от ядра скорость одна, вблизи — другая. А по Эйнштейну: если величина скорости меняется, то меняется и масса электрона.
Получилось, что, описав оборот вокруг ядра, электрон чуть смещается в сторону. Он вяжет вокруг ядра петлю за петлей. Пока он летит по эллипсу своей орбиты, этот эллипс сам вращается — катится по плоскости орбиты. И потому истинный путь электрона — это красивая кривая, называемая розеткой: он очерчивает в полете по контуру многолепестковый цветок, вроде ромашки.
А можно так рассудить: электрон участвует в двух независимых вращениях. Первое — вращение по орбите — квантуется: не любые орбиты разрешены, а только прерывистая их череда. Второе — вращение самой орбиты — наверное, тоже квантуется: лепестки ромашки не могут быть какими угодно — разрешенные природой, наверное, тоже образуют прерывистую последовательность. И для их нумерации тоже надобна последовательность целых чисел: 1, 2, 3… k.
Но это не все. Атом — объемная вещь. Лишь электронные орбиты плоские, а сам он — трехмерная конструкция. И пока электрон летит по эллипсу, а эллипс катится по плоскости орбиты, эта орбитальная плоскость может поворачиваться в пространстве.
Третье независимое вращение, в котором невольно участвует электрон. Очевидно, и оно квантуется: не все положения орбитальной плоскости допустимы, а лишь пунктирный их ряд. Это напоминает чередование спиц в колесе. Их тоже надо пересчитывать. Необходима третья последовательность целых чисел: снова — 1,2, 3… m.
Так возникли в квантовой теории атома, сверх главного квантового числа Бора, два дополнительных квантовых числа Зоммерфельда. Он назвал их «внутренними». И сразу удалось верно описать тонкую структуру атомных спектров!
…Был год 1916–й. Шла уже мировая война. Кровавая империалистическая бойня закрыла границы европейских государств. Но Резерфорд рычал в коридорах манчестерской лаборатории, что «этой чертовой войне не удастся оставить физику в дураках». И там, в Манчестере, Нильс Бор написал немцу Зоммерфельду запретное письмо, выражая восхищение его работами, которые тоже запретными путями дошли тогда из Баварии в Англию. А потом Зоммерфельд получил письмо и от Эйнштейна:
«…Ваши спектральные исследования принадлежат к разряду самого прекрасного, что я пережил в физике».
Однако таинственным оставалось, почему микромир устроен так, что периодические движения в атоме — вращения и колебания — обладают странным свойством квантуемости. Именно в том письме к Зоммерфельду содержалось уже знакомое нам восклицание Эйнштейна в духе обычной для него пленительной полушутливости: «Если бы я только знал, какие винтики использует при этом господь бог!»
Природа (эйнштейновский господь бог) молчала. Она всем и каждому открыто демонстрировала свои законы, но никому не помогала их понять.
6
Среди тонкостей тонкой структуры спектров была одна, которая все–таки не поддавалась расшифровке. Ее издавна окрестили аномальным эффектом Зеемана. Даже квантовых чисел Зоммерфельда было явно недостаточно, чтобы описать происходящее.
Случалось так, что в магнитном поле желтая линия натрия, например, расщеплялась на четыре, на шесть близких линий. В атоме бесспорно скрывались еще какие–то — пока неучтенные! — квантовые возможности: занумерованных тремя числами энергетических ступенек в атоме не хватало для верной картины.
Год за годом решение не давалось одареннейшим теоретикам. Один из них — всеми почитавшийся гением — впоследствии вспоминал, как в 1923 году он, работая у Бора в институте, сделался мучеником этой проблемы:
«…Коллега, встретивший меня, когда я бесцельно бродил по прекрасным улицам Копенгагена, дружески сказал: «Вы выглядите очень несчастным». На что я пылко ответил: «Как может выглядеть человек счастливым, если он думает об аномальном эффекте Зеемана?»
Пылкость ответа объяснялась молодостью несчастливца: он был ровесником века — ему исполнилось тогда всего двадцать три. Звали его Вольфганг Паули.
Он отличался редкостной самонадеянностью. К счастью, она была прямо пропорциональна его редкостным способностям. Когда ему было девятнадцать, он однажды после эйнштейновской лекции в Мюнхене объявил вслух: «Знаете ли, то, что нам сейчас сообщил господин Эйнштейн, вовсе не так уж глупо…» Но еще большей известностью, чем эта незабвенная фраза, пользовалась его большая статья о теории относительности. Эйнштейн говорил, что начал тоньше понимать собственную теории после работы юного Паули.
Так вот, той самой весной 25–го года, когда Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг вынашивали свои варианты механики микромира, Вольфганг Паули решился на отчаянное признание в письме к одному, еще более юному, теоретику:
