Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

Дарвин не знал твердо, как расположены электроны внутри атома. Лучшее, что он смог придумать, это что они равномерно распределены по объему атома либо по его поверхности: результат зависел только от величины заряда ядра и радиуса атома. Дарвин обнаружил, что полученные им значения радиусов различных атомов не согласуются с принятыми оценками. Читая его статью, Бор сразу нашел то место, где Дарвин ошибся: он считал отрицательно заряженные электроны внутри атома свободными, тогда как они связаны с положительно заряженным ядром.

Бор отлично умел видеть и использовать недостатки имеющихся теорий. Это искусство исправно служило ему всю его долгую научную жизнь. Часто свою работу он начинал с определения ошибок и противоречий в чужих работах. В данном случае отправной точкой послужила ошибка Дарвина. Резерфорд рассматривал только ядро, а Дарвин — только электроны атома, но не их влияние друг на друга. Бор понял, что теория, позволяющая объяснить, как альфа-частицы взаимодействуют с электронами в атоме, должна строиться с учетом его истинной структуры⁸². Оставив переживания, связанные с Резерфордом, Бор взялся за исправление ошибки Дарвина.

В это время Бор, обычно писавший много писем, замолчал. “Не волнуйся, у меня все в порядке, — успокаивал он Харальда. — Несколько дней назад мне пришло в голову кое-что, связанное с объяснением поглощения альфа-лучей. Это произошло так: работающий здесь молодой математик Ч.Г. Дарвин, внук того самого Дарвина, только что опубликовал статью по этому поводу. Мне кажется, что там не только есть математическая ошибка (хотя и не очень существенная), но, главное, что-то не так с основополагающими предположениями. Я занимаюсь построением теории, которая, если даже окажется не совсем правильной, возможно, поможет пролить свет на вопросы, касающиеся структуры атомов. Я планирую вскоре опубликовать небольшую статью по этому поводу”⁸³. То, что ходить в лабораторию не обязательно, “очень помогает в работе над этой задачкой”⁸⁴.

Пока его догадки не были облечены в плоть и кровь, единственным человеком в Манчестере, которому Бор рассказал о них, был Резерфорд. Хотя Резерфорда и удивил ход мыслей молодого датчанина, на сей раз он внимательно выслушал и поддержал его. После этого разговора Бор вообще перестал ходить в лабораторию. Он торопился: его пребывание в Манчестере близилось к концу. “Мне удалось кое-что понять, но, конечно, работа займет больше времени, чем мне по глупости казалось, — написал он Харальду 17 июля, ровно через месяц после того, как поделился с ним секретом. — Я надеюсь, у меня будет готова небольшая заметка, которую можно будет показать Резерфорду до того, как я уеду. Я ужасно, ужасно занят, но невероятная жара здесь, в Манчестере, не способствует прилежанию. Как мне хочется поговорить с тобой!”⁸⁵ Ему хотелось рассказать брату, что он надеется починить разваливающийся атом с ядром Резерфорда. Его атом должен был стать квантовым.

Глава 4. Квантовый атом

Первое августа 1912 года, четверг. Улицы Слагелсе, небольшого живописного городка примерно в пятидесяти милях к юго-западу от Копенгагена, украшены флагами. Начальник полиции (мэр был в отпуске) за две минуты обвенчал в ратуше Нильса Бора и Маргрет Норлунд. Харальд был шафером. На церемонии присутствовали только члены семьи. Как и родители, Бор отказался от религиозной церемонии. В Бога он перестал верить еще подростком. Тогда он признался отцу: “Не могу понять, почему это так глубоко меня волновало. Вера для меня совершенно ничего не значит”¹. Если бы Кристиан Бор был жив, он одобрил бы сына, за несколько месяцев до свадьбы официально порвавшего с лютеранской церковью.

Вначале молодожены собирались провести медовый месяц в Норвегии, однако планы изменились из-за того, что Бор не успел закончить статью об альфа-частицах. Пара поехала в Кембридж, где и провела первые две недели медового месяца². Между визитами к старым друзьям и прогулками по городу Бор закончил статью. Работали вдвоем: Бор диктовал, стараясь как можно яснее выразить свои мысли, а Маргрет редактировала английский текст. Вместе им работалось так хорошо, что ближайшие несколько лет Маргрет фактически исполняла обязанности секретаря своего мужа.

Бор вообще не любил писать. Ему удалось закончить докторскую диссертацию только после того, как мать записала текст под его диктовку. “Ты не должна помогать Нильсу, он должен учиться писать сам”, — безуспешно убеждал ее муж³. Когда Бор все же брался за перо, он писал медленно и совершенно неразборчиво. “В первую очередь, — вспоминал один из его сотрудников, — ему было трудно думать и писать одновременно”⁴. Когда Бор работал, ему надо было рассуждать вслух, а думалось ему лучше, когда он двигался. Обычно ученый ходил вокруг стола, а один из его ассистентов (или вообще любой, кого Бору удавалось поймать) сидел с ручкой наготове, пока он на ходу диктовал что-нибудь на одном из известных ему языков. Бора редко сразу удовлетворял текст статьи или лекции. Доходило до того, что он “переписывал” его (с чужой помощью) двенадцать раз подряд. Конечный результат такого титанического труда, этого поиска точности и ясности, бывал настолько невнятен, что читателю не удавалось увидеть лес за деревьями.

После того как рукопись статьи об альфа-частицах была закончена и запечатана в конверт, Нильс и Маргрет сели на поезд в Манчестер. Познакомившись с женой Бора, Эрнест и Мэри Резерфорд одобрили выбор молодого датчанина. Действительно, союз Нильс и Маргрет был долгим, счастливым и прочным, что помогло им пережить смерть двоих из шести сыновей. Маргрет настолько понравилась Резерфорду, что о физике сначала говорили мало. Впрочем, Резерфорд все же нашел время прочесть статью Бора, одобрил ее и обещал послать в “Философикал мэгэзин”⁵. Несколькими днями позднее свободные и счастливые молодожены отправились в Шотландию, где и провели остаток медового месяца.

Вернувшись в начале сентября в Копенгаген, Нильс и Маргрет поселились в небольшом доме в престижном пригороде Хеллеруп на берегу моря. В Дании, где был лишь один университет, физику найти вакансию было трудно⁶. Как раз перед свадьбой Бор принял предложение стать помощником преподавателя в техническом колледже [Loereanstalt]. Каждое утро Бор ехал на велосипеде на работу. “Он все время работал и, казалось, всегда спешил”, — вспоминал позднее один из преподавателей⁷. Спокойный, курящий трубку старейшина физиков — все это было впереди.

Кроме того, Бор служил приват-доцентом в университете: он читал курс термодинамики. Как и Эйнштейн, Бор считал подготовку к лекциям слишком утомительной. Тем не менее, по крайней мере один студент оценил его усилия и был признателен за “ясность и лаконичность”, с которой он “преподносил трудный материал”, а также за “мастерство” изложения⁸.

Преподавание и обязанности ассистента оставляли слишком мало времени для упорной работы над разрешением противоречий, раздирающих атом Резерфорда. Постоянно спешащему молодому человеку казалось, что он двигается вперед слишком медленно. Бор надеялся, что написанный им в Кембридже текст для Резерфорда (“резерфордовский меморандум”), в котором излагались его еще недостаточно точно сформулированные идеи структуры атома, станет основой статьи, которая будет готова к публикации сразу после медового месяца⁹. Этого не произошло.

“Видите ли, — признался Бор полвека спустя в одном из своих последних интервью, — к сожалению, очень многое, написанное там, ошибочно”¹⁰. Однако уже тогда он нащупал ключевую проблему — нестабильность атома Резерфорда. Согласно теории электромагнетизма Максвелла, электрон, двигающийся по кругу вокруг ядра, должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Этот непрекращающийся расход энергии приводит к тому, что электрон, двигаясь по спирали, быстро падает на ядро. Нестабильность, связанная с излучением, была настолько хорошо известным дефектом атома Резерфорда, что Бор даже не касался ее в своем “меморандуме”. Что действительно его беспокоило, так это механическая нестабильность, мешающая существованию такого атома.