Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

Резерфорду, как и многим другим, трудно было себе представить, как электрон в атоме водорода “прыгает” с одного энергетического уровня на другой. Сложность состояла в том, что в модели Бора нарушался один из основных законов классической физики. Двигающийся по кругу электрон представляет собой колебательную систему: один полный оборот по замкнутой орбите есть осцилляция, а число оборотов за одну секунду — частота осцилляций. Осциллирующая система излучает энергию на частоте, равной частоте осцилляций. Но поскольку в “квантовом прыжке” электрона участвуют два энергетических уровня, мы имеем дело с двумя частотами осцилляций. Резерфорд сокрушался о том, что в теории нет связи между этими частотами, между “старой” механикой и частотой излучения при прыжке электрона с одного энергетического уровня на другой.

Резерфорд указал на еще одну, даже более серьезную, проблему: “Мне кажется, у Вашей гипотезы есть еще одно очень слабое место. Я не сомневаюсь, что Вы и сами это полностью осознаете. Как электрон решает, с какой частотой он будет колебаться, переходя из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, Вы должны были предположить, что электрон заранее знает, где ему надо остановиться”²⁸. Электрон с энергетического уровня п = 3 может перепрыгнуть либо на уровень п = 2, либо на уровень п = 1. Кажется, что электрону, совершающему прыжок, чтобы испустить излучение нужной частоты, надо “знать”, на какой энергетический уровень он направляется. Эти пробелы в теории квантового атома Бор объяснить не мог.

Было еще одно, более мелкое замечание, напугавшее Бора гораздо сильнее. Резерфорд полагал, что “статью следует сократить”, поскольку “длинные статьи отпугивают читателей, которые считают, что у них нет времени вдаваться во все эти подробности”²⁹. Резерфорд предложил исправить английский текст Бора в тех местах, где это необходимо, а в постскриптуме добавил: “Надеюсь, Вы не будете возражать, если я по собственному усмотрению выброшу из статьи то, что мне не представляется необходимым? Жду ответа”³⁰.

Получив письмо, Бор пришел в ужас. Мучительно подбиравшему слова, написавшему множество черновиков, многократно переписавшему статью датчанину мысль о том, что кто-либо (даже сам Резерфорд!) будет менять его текст, казалась кощунственной. Через две недели Бор послал дополненный и переработанный текст. Резерфорд согласился, что изменения “очень хороши и представляются вполне уместными”, однако вновь посоветовал сократить статью. Еще до того, как Бор получил это последнее письмо, он написал Резерфорду, что собирается приехать в Манчестер на каникулы³¹.

Когда Бор появился у Резерфордов, у них в гостях был их друг Артур Ив. Потом он вспоминал, что Резерфорд сразу провел “худощавого паренька” к себе в кабинет, а миссис Резерфорд ему объяснила, что муж “очень высоко оценивает работу этого молодого датчанина”³². Обсуждение статьи продолжалось несколько вечеров. Потом Бор признался, что когда он пытался защищать каждое слово, Резерфорд “проявлял почти ангельское терпение”³³.

Наконец Резерфорд сдался. Потом он убеждал своих коллег и друзей, что в статье ничего трогать было нельзя: “Я увидел, что он взвесил каждое слово. Меня поразило, как твердо он отстаивал каждую фразу, каждое выражение, каждую цитату. Все было на своих местах. Хотя сначала мне и казалось, что многие предложения можно опустить, после его объяснений стало ясно, как точно все было подогнано. Ничего нельзя было менять”³⁴. Много позднее Бор признал, что Резерфорд был прав, “возражая против усложненной публикации”³⁵.

Три статьи Бора под общим названием “О строении атомов и молекул” вышли в журнале “Философикал мэгэзин”. Первая, датированная 5 апреля 1913 года, увидела свет в июле. Вторая и третья были опубликованы в сентябре и ноябре. Они касались идей, связанных с возможным расположением электронов внутри атомов. Этот вопрос занимал Бора еще десять лет. С помощью квантового атома он пытался объяснить периодическую таблицу и химические свойства элементов.

Бор построил модель атома из головокружительной смеси классической и квантовой физики. Он попрал догмы физической науки, предположив, что а) электроны внутри атомов могут располагаться только на определенных орбитах, в стационарных состояниях; б) электроны на орбитах не могут излучать энергию; в) атом может находиться только в нескольких дискретных энергетических состояниях, самое низкое из которых является основным; г) электроны каким-либо образом могут перепрыгивать из стационарных состояний с более высокой энергией в стационарные состояния с меньшей энергией, а разница между энергиями этих состояний излучается в виде кванта энергии. Модель Бора позволяла правильно вычислять характеристики атома водорода, например его радиус. Кроме того, она давала физическое объяснение происхождению спектральных линий. Квантовый атом, скажет позднее Резерфорд, был “триумфом разума над материей”. Он был убежден, что если бы не открытие Бора, для разгадки тайны спектральных линий “потребовались бы столетия”³⁶.

Уже первая реакция на квантовый атом показала истинное значение достижения Бора. Первое публичное обсуждение его работы состоялось 12 сентября 1913 года в Бирмингеме, на 83-м ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки. Реакция на доклад была неоднозначной. На собрании присутствовали и Томсон, и Резерфорд, и Рэлей, а среди почетных иностранных членов — Лоренц и Кюри. “Когда человеку за семьдесят, он не должен опрометчиво высказываться о новых теориях”, — уклончиво ответил Рэлей об атоме Бора. В кулуарах он, правда, признал, что не верит в то, что “природа ведет себя так”, и заметил, что “ему трудно представить, что все именно так и происходит”³⁷. Томсон считал, что квантовать атом не нужно. Джеймс Джинс уверял всех в обратном. В своем выступлении перед переполненным залом он заявил, что самое главное обоснование модели Бора — ее “неоспоримый успех”³⁸.

В Европе квантовый атом был встречен с недоверием. “Это все ерунда! Уравнения Максвелла справедливы при любых обстоятельствах, — заявил в пылу дискуссии Макс фон Лауэ. — Электрон, двигающийся по круговой орбите, обязан излучать”³⁹. Пауль Эренфест признался Лоренцу, что атом Бора “приводит меня в отчаяние”⁴⁰. “Если это та цена, которую надо заплатить для достижения цели, я должен перестать заниматься физикой”⁴¹. В Геттингене, сообщал Бору его брат Харальд, работа вызвала большой интерес, но предположения, на которых она строится, считают “дерзкими” и “фантастическими”⁴².

Один из первых триумфальных успехов теории Бора привел в ряды его сторонников некоторых известных физиков, включая Эйнштейна. Согласно предсказанию Бора, серия линий в спектре солнечного света, приписываемая водороду, на самом деле должна принадлежать ионизированному гелию, то есть гелию, у которого забрали один из двух электронов. Но эта интерпретация линий Пикеринга — Фаулера противоречила представлениям открывших их спектроскопистов. Кто прав? Ответ на этот вопрос получил один из сотрудников Резерфорда. По настоянию Бора он детально исследовал эти линии и как раз к началу собрания в Бирмингеме обнаружил, что прав датчанин, приписавший гелию линии Пикеринга — Фаулера. Эйнштейн услышал эту новость в конце сентября от Дьёрдя фон Хевеши, друга Бора. Оба они были на конференции в Вене. “Большие глаза Эйнштейна, — рассказывал Хевеши в письме Резерфорду, — стали еще больше, и он сказал мне: Тогда это одно из величайших открытий’”⁴³.

В ноябре 1913 года, к моменту публикации последней из трех статей Бора, Генри Мозли, еще один член команды Резерфорда, доказал, что для каждого элемента величина заряда ядра, или его атомный номер (целое число, однозначно связанное с этим зарядом), определяет место элемента в периодической таблице. После разговора с Бором, приезжавшим в июле в Манчестер, молодой англичанин начал изучать рентгеновские спектры, получающиеся в результате обстрела различных элементов пучками электронов.

К тому времени уже стало известно, что рентгеновские лучи — это электромагнитное излучение с длиной волны в тысячи раз меньшей длины волны видимого света. Они возникают при ударе о металл электронов с достаточно большой энергией. Бор был уверен, что рентгеновское излучение — результат “выбивания” из атома электрона, находящегося на одной из самых глубоко лежащих орбит. Образовавшаяся вакансия заполняется при переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий. Разность энергий двух уровней равна кванту энергии, испускаемому при таком переходе. Так появляются рентгеновские лучи. Бор понимал, что его модель атома позволяет определять заряд ядра по длине волны испускаемых рентгеновских лучей. Именно об этой интригующей возможности говорили Бор и Мозли.

Мозли обладал невероятной трудоспособностью, сравнимой разве только с его выносливостью. Он проводил в лаборатории ночи напролет. За несколько месяцев Мозли измерил частоты рентгеновских лучей, испускаемых всеми элементами периодической системы между кальцием и цинком. Он обнаружил, что чем тяжелее элемент, обстреливавшийся электронами, тем частота испускаемых рентгеновских лучей больше. Согласно предсказанию Мозли, должны были существовать элементы с атомными номерами 42, 43, 72 и 75, пропущенные в периодической таблице. Он основывался на том, что для каждого элемента характерен свой набор рентгеновских спектральных линий и что для соседних элементов периодической таблицы такие наборы очень похожи⁴⁴. Позднее, после смерти Мозли, все четыре указанные им элемента были открыты. Когда началась мировая война, он пошел в инженерные войска и служил офицером связи. Мозли принимал участие в Галлиполийской операции и умер от ранения в голову 10 августа 1915 года. Ему было всего двадцать семь. Лишь ранняя смерть лишила Мозли Нобелевской премии. Резерфорд удостоил его высочайшей похвалы: он назвал Мозли “прирожденным экспериментатором”.