ГЛАВА ТРЕТЬЯ

Говорят, что половину знаний о внешнем мире человек приобретает в возрасте до пяти лет. В последующие десять лет он знает о мире почти все и свои дальнейшие познания о нем (за исключением специальных) пополняет очень медленно, быть может, потому, что к этому времени он уже успевает приобрести вредную взрослую привычку — узнавая что-либо новое, обязательно, спрашивать: «А для чего это?»

Глава третья

При первом знакомстве с квантовой механикой такая, взрослая привычка очень мешает, потому что на первых порах никогда не ясны ни суть атомных явлений, ни их относительная важность в общей картине, ни тем более их скрытый смысл.

В этой ситуации надо поступать подобно детям, которые учатся говорить. Вначале они слышат непонятные им звуки, затем бессмысленно перебирают и повторяют слова и, наконец, замечают, что между словами существуют логические связи. Постепенно они убеждаются, что сами по себе слова зачастую ничего не означают, но иногда обретают неожиданный смысл, если произнести их в определенном порядке.

Конечно, пройдет немалое время, пока они научатся улавливать самые тонкие оттенки мыслей и настроений за простыми сочетаниями обыденных слов. По существу, только тогда они и становятся взрослыми.

В этой главе мы узнаем, много новых фактов об атомах, лучах и квантах. Быть может, выбор фактов и та уверенность, с которой мы будем их толковать, покажутся вначале не очень обоснованными, — как ребенку поступки взрослого человека. Но с этим ничего нельзя поделать. Узнавая впервые непривычную реальность атомной физики, все мы поневоле становимся похожими на детей, вступающих в новый для них мир. Без фактов нет науки. И чтобы наилучшим образом усвоить их, станем на время детьми, которые всегда больше знают, чем понимают.

Конец прошлого и начало нашего века часто называют героическим периодом физики. Это было время, когда каждый год приносил неожиданные открытия, фундаментальность которых очевидна даже сейчас, более полувека спустя. Одно из таких открытий связано все с той же трубкой Крукса. Ноября 2-го числа 1895 года в лаборатории университета в Вюрцбурге Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923), изучая катодные лучи, обнаружил новое излучение, которое возникало в том месте анода, куда падал пучок электронов.

Свойства этого излучения были необычны, пугающе необычны: оно без труда пронизывало человеческое тело и даже проникало сквозь закрытые дверцы сейфов. Только в 1912 году немецкие физики Вальтер Фридрих (род. 1883) и Пауль Книппинг (1883— 1935) по предложению Макса фон Лауэ (1879—1960) пропустили эти лучи через кристалл, и обнаружили у них способность к интерференции и дифракции. А это означало, что Х-лучи (как их вначале назвал Рентген) не поток частиц, а волны, только очень короткие: всего от 10^-7 до 10^-10 см.

Одного этого открытия было бы достаточно, чтобы нарушить привычный рабочий распорядок всех лабораторий мира. Но эпоха открытий только начиналась. Уже несколько месяцев спустя, в 1896 году, Антуан Анри Беккерель (1852—1908) открыл новый тип излучения, еще более странный. Это излучение возникало самопроизвольно в куске урановой .руды и состояло из положительно заряженных частиц, которые Резерфорд назвал альфа-частицами (α-частицами). Они оказались вчетверо тяжелее атомов водорода, причем заряд их был равен двум зарядам электрона.

Новый тип излучения

Некоторые вещества (например, ZnS — сернистый цинк) начинали светиться, если на них попадал пучок α-частиц. Это позволило все тому же Уильяму Круксу в 1903 году изобрести спинтарископ — прибор, который позволял видеть вспышки от единичных α-частиц, попадавших на экран из сернистого цинка.

Теперь эти два открытия хорошо известны, но мы о них все-таки напомнили, ибо без них история атома была бы неполной.

АТОМЫ

В начале века в физике бытовали самые разные и часто фантастические представления о строении атома. Например, Линдеман, ректор Мюнхенского университета, в 1905 году утверждал, что «...атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы — форму лепешки». Но большинство физиков пришло к выводу, что прав Дж. Дж. Томсон: атом — это равномерно заряженный положительный шар диаметром примерно 10^-8 см, внутри которого плавают отрицательные электроны (или корпёсли, как писали в русских изданиях начала века), размеры которых равны примерно 10^-13 см. Сам Джи-Джи — как его называли ученики — относился к своей модели без энтузиазма.

А некоторые физики представляли себе атом совсем иначе. Одни об этом говорили вслух. Среди них были Джонстон Стоней, предполагавший еще в 1891 году, что «...электроны движутся вокруг атома, подобно спутникам планет», Жан Перрен, который в 1901 году пытался представить себе «нуклеарно-планетарную структуру атома»; японский физик Нагаока и сэр Оливер Лодж, утверждавшие в 1902 году, что «...пространства внутри атома чрезвычайно громадны по сравнению с величинами самих образующих его электрических ядрышек — иными словами, атом представляет своего рода сложную астрономическую систему, подобную кольцу Сатурна».

Другие, например Петр Николаевич Лебедев, доверяли подобные мысли только своему дневнику. В 1887 году ему казалось, что частота излучения атомов определяется частотой обращения электрона по орбите. А голос Николая Морозова был заперт в стенах Петропавловской крепости.

Но ни один сторонник идеи планетарного атома не мог объяснить главного: устойчивости системы, состоящей из положительной сердцевины и электронов, которые вокруг нее вращаются.

Действительно, на круговой орбите электрон движется ускоренно и, следовательно, по теории Максвелла — Лоренца, должен терять энергию на излучение. Зная размеры атома, легко оценить скорость движения электрона по орбите и величину центростремительного ускорения, оно равно примерно 10²⁵ см/сек². При таком ускорении излучение должно быть настолько интенсивным, что уже через 10^-8 сек. электрон обязан упасть на положительный центр притяжения, и система «атом» прекратит свое существование.

Ничего похожего в природе не происходит: атом не только устойчив, но и восстанавливает свою структуру после разрушений, свидетельствуя в пользу модели Томсона. Однако в физике уже более двухсот лет принято правило: окончательный выбор между гипотезами вправе сделать только опыт. Такой опыт поставил в 1909 году Эрнст Резерфорд (1871 —1937) со своими «мальчиками».

Представьте себе крупного и шумного человека, который принужден сидеть в темной комнате и, глядя в микроскоп, считать на экране спинтарископа вспышки (сцинтилляции) от α-частиц. Работа изнурительная: уже через две минуты глаза устают. Ему помогают опытный исследователь Ганс Гейгер (1882—1945) и двадцатилетний лаборант Эрнст Марсден (род. 1889). Их прибор несложен: ампула с радием-С, испускающим α-частицы, диафрагма, которая выделяет из них узкий пучок и направляет его на экран из сернистого цинка, и микроскоп, через который наблюдают сцинтилляции а-частиц на экране. Место появления очередной сцинтилляции предугадать нельзя — они возникают беспорядочно, но так, что в целом на экране получается довольно резкое изображение щели диафрагмы.

Однако если на пути «α-частиц поставить металлическую фольгу, то вместо резкого изображения щели на, экране возникает размытая полоса. Эта полоса лишь немного шире изображения щели, полученного в первом случае: α-частицы отклонялись от прямого пути в среднем всего на 2 градуса. Однако несложный расчет показал: чтобы объяснить даже такие небольшие отклонения, нужно допустить, что в атомах фольги могут возникать огромные электрические поля напряженностью свыше 200 тыс. в/см.

Фольга на пути потока частиц

В положительном шаре атома Томсона таких напряженностей быть не может. Столкновения с электронами также не в счет: ведь по сравнению с ними «α-частица, летящая со скоростью 20 км/сек, все равно что пушечное ядро рядом с горошиной. И все же пути «α-частиц искривлялись. В поисках разгадки Марсден предложил проверить: а не могут ли «α-частицы отражаться от фольги назад? С точки зрения модели Томсона, предложение совершенно бессмысленное: пушечное ядро не может отразиться от горошины. Результат был неожиданным, но вполне убедительным, хотя поверить в него было трудно: «α-частицы отражались от фольги.

Прошло два года. За это время Гейгер и Марсден сосчитали более миллиона сцинтилляций и доказали, что отражается назад примерно одна «α-частица из 8 тысяч.

Только теперь, 7 марта 1911 года, Манчестерское философское общество. — то самое, президентом которого был когда-то Джон Дальтон, — услышало доклад Резерфорда «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома». В тот день слушатели узнали, что атом подобен солнечной системе: он состоит из ядра и электронов, которые вращаются вокруг него на расстояниях ≈ 10^-8 см. Размеры ядра очень малы — всего 10^-13—10^-12 см, но в нем заключена практически вся масса атома. Заряд ядра положителен и по величине равен примерно половине атомного веса элемента. Сравнение с солнечной системой не случайно: диаметр солнца (1,4 • 106 км) примерно во столько же раз меньше размеров солнечной системы (6 • 10⁹ км), во сколько диаметры ядер (≈ 10^-12 см), меньше размеров атома (≈ 10^-8 см).

Мы настолько привыкли к новым понятиям, что, объясняя электронику, ссылаемся на телевизор, а рассказывая о механике, приводим в пример паровоз. Поэтому сейчас нам трудно понять тогдашнее недоумение людей, по силе ума подобных Резерфорду. Действительно, для нас сейчас все так прозрачно: просто «α-частица отражается от ядер атомов. И к этой картине мы привыкаем с детства. Но чтобы нарисовать ее в первый раз, необходима была выдающаяся научная смелость, основанная на знании, добытом большим трудом. Прежде чем эта картина стала известна каждому, пришлось не только сосчитать свыше миллиона сцинтилляций: нужно было (как вспоминал в конце жизни Гейгер) «...преодолеть такие трудности, смысл которых мы сейчас даже понять не в состоянии»; нужно было сначала в течение десяти (!) лет доказывать, что «α-частицы — не что иное, как атомы гелия, потерявшие два электрона, Доказательство оказалось непростым, и Шведская академия наук хорошо понимала это, когда в 1908 году присудила Резерфорду Нобелевскую премию за исследования по химии радиоактивных веществ, в результате распада которых образуются α-частицы. Обо всем этом постепенно забыли: результат был важнее и проще, чем путь, к нему приведший.

Исследование Резерфорда

Сообщение Резерфорда физики приняли сдержанно. Сам он в течение двух лет также не очень сильно настаивал на своей модели, хотя и верил в безошибочность опытов, которые к ней привели. Причина была все та же: если верить электродинамике, такая система существовать не может, поскольку по ее законам вращающийся электрон неизбежно и очень быстро упадет на ядро. Приходилось выбирать: либо электродинамика, либо планетарный атом. Физики молча выбрали первое. Молча потому, что опыты Резерфорда нельзя было ни забыть, ни опровергнуть. Физика атома зашла в тупик. И чтобы выйти из него, нужен был Нильс Бор.

ЛУЧИ

Независимо от гипотез о строении атома ученые рано поняли, что знания о нем можно получить, изучая его линейчатый спектр (так музыкант по тону струны определяет ее длину, а по аккорду узнает инструмент). В физике всякое изучение в конечном итоге сводится к измерению. Поэтому прежде всего необходимо было научиться измерять длины волн как можно точнее, то есть еще пристальнее, чем Фраунгофер, исследовать структуру линейчатого спектра.

На призменном спектрографе Кирхгофа и Бунзена этого сделать уже было нельзя. Стеклянную призму в нем сменила дифракционная решетка, которую значительно усовершенствовал Генри Роулэнд (1848—1901) — представитель тогда еще молодой американской науки. С помощью этого прибора в течение нескольких десятилетий трудами Карла Рунге (1856—1927), Фридриха Кайзера (1853—1940) и особенно лаборатории Фридриха Пашена (1865—1947) в Тюбингене были точно измерены десятки тысяч спектральных линий различных элементов и аккуратно записаны в длинные таблицы. (К 1913 году общее число работ по спектральному анализу перевалило за 50 тыс. В частности, оказалось, что знаменитая желтая линия D в спектре натрия. состоит из двух очень близко расположенных линий: D₁ = 5895,9236 Ǻ и D2 = 5889,9504 Ǻ. (1 Ǻ = 10^-8 см, то есть примерно равен размеру атома.)

Но высшая задача любой науки не в том, чтобы накоплять факты, а в том, чтобы установить связи между явлениями и найти их причину. Всем было ясно, что в этих длинных таблицах заключена огромная информация о структуре атома. Но как ее оттуда извлечь? (Вероятно, такие же чувства испытывали египтологи до Шампольона, глядя на иероглифы.)

Первый шаг всегда труден и незаметен. Поэтому об Иоганне Якобе Бальмере (1825—1898), который впервые обнаружил какую-то систему в этом хаосе чисел, мы знаем очень мало. Известно, что родился он 1 мая 1825 года в маленьком городке Лаузене Базельского кантона, там же окончил среднюю школу, а затем изучал математику в университетах Карлсруэ, Берлина и Базеля. В 1869 году он стал доктором философии и приват-доцентом Базельского университета, но вскоре оставил профессорское кресло и предпочел преподавать физику в женской гимназии. Бальмеру было уже 60 лет, когда он вдруг заметил, что четыре спектральные линии в видимой части спектра водорода расположены не беспорядочно, а образуют серию, которую можно описать единой формулой:

λ = b k²/(k²-n²), где: n = 2; k = 3, 4, 5, 6; b = 3645,6 Ǻ.

Это простое соотношение заслуживает всяческого внимания. Дело в том, что оно точное, в чем каждый желающий может легко убедиться сам.

Взгляните на табличку, которую составил в 1885 году Бальмер:

В первом столбце выписаны длины волн упомянутых четырех спектральных линий, вычисленные по формуле Бальмера; во втором — длины волн, которые незадолго перед этим тщательно измерил шведский физик Ионас Андерс Ангстрем (1814—1874). Совпадение измеренных и вычисленных значений поразительное. Такие совпадения не могут быть случайными, и потому открытие Бальмера не затерялось в архивах, а привело к целой цепи новых исследований.

Иногда Бальмера изображают чудаковатым школьным учителем, который от нечего делать делил и умножал различные числа, пока случайно не набрел на простые связи между ними. Это неверно. Он был глубоко образованным человеком, писал статьи по разным вопросам проективной геометрии и постоянно возвращался к самым сложным проблемам теории познания. Например, в 1868 году он опубликовал работу, в которой пытался выяснить соотношение между научными исследованиями и системами мировой философии. Сам он с детских лет находился под влиянием пифагорейцев с их учением о гармонии и мистической роли целых чисел в природе. Как и древние, Бальмер был убежден, что тайну единства всех наблюдаемых явлений следует искать в различных комбинациях целых чисел. Поэтому, когда его внимание привлек набор четко ограниченных спектральных линий, он подошел к этому явлению природы с уже готовой меркой. Его ожидания оправдались: оказалось, что длины волн спектральных линий связаны между собой простыми рациональными соотношениями.

Бальмер

С открытия Бальмера начинается целая эпоха в науке об атоме. По существу, вся теория атома начинается с его формулы. Тогда еще этого не знали, но, вероятно, почувствовали. Уже в 1886 году Рунге заметил, что формула Бальмера становится прозрачнее, если в нее вместо длины волны λ поставить частоту ν = c/λ,

ν = c/b[(1/n²)- (1/k²)].

А в 1890 году шведский физик Иоганн Роберт Ридберг (1854—1919) предложил записывать формулу в том виде, который она сохранила до сих пор:

ν = cR[(1/n²)- (1/k²)].

Здесь: с — скорость света, n и k — знакомые нам целые числа, а число R = 109677,576 см^-1 называется с тех пор «постоянной Ридберга» для атома водорода. Полагая в этой формуле n = 2, можно вычислить всю серию Бальмера, измеренную впоследствии вплоть до k = 31.

Тогда же возникла мысль записывать частоту ν в виде разности двух чисел-термов Т_n и T_k:

ν = ((cR)/n²) - ((cR)/k²) = Т_n - T_k.

Пока что в такой записи не видно глубокого смысла, да и особых преимуществ тоже. Однако в 1908 году молодой, рано умерший швейцарский ученый Вальтер Ритц (1878—1909) объяснил преимущества такой формы записи. Продолжая работы Ридберга, он сформулировал так называемый комбинационный принцип: частоту ν произвольной линии в спектре любого атома можно представить как разность двух термов Т_n и T_k:

ν_nk = Т_n - T_k.

даже в том случае, когда отдельный терм Т_n уже нельзя записать в таком простом виде, как для атома водорода.

На первый взгляд в этом нет никакого выигрыша: просто от набора частот мы перешли к набору термов. Однако это не так: попытайтесь прочесть книгу, в которой нет промежутков между словами, и вы сразу почувствуете разницу. Особенно если эта книга на неизвестном языке. Кроме того, чисел стало значительно меньше: чтобы определить частоты 50 линий водорода, которые были известны в начале века, достаточно знать десяток термов.

Хаос чисел

Неожиданно в хаосе чисел обнаружилась система. Беспорядочный набор линий распался на серии. В непонятной книге стали различать отдельные слова. В простейшем случае — в атоме водорода — удалось разглядеть даже буквы, из которых они составлены. Однако смысл слов и происхождение букв по-прежнему оставались неизвестными: иероглифы еще не заговорили, хотя и не казались теперь столь загадочными.

Стремление осмыслить структуру спектра и в самом деле напоминало попытку почти вслепую расшифровать незнакомый текст. Утомительная работа длилась больше четверти века, и отсутствие общей идеи отталкивало от нее многие глубокие умы. Необходимо было найти ключ к шифру.

Это сделал Нильс Бор в 1913 году.

КВАНТЫ

Излучение возникает внутри атома, однако, покинув его, существует независимо. Иногда оно состоит из волн одинаковой длины — такое излучение называют монохроматическим. Линейчатый спектр атома состоит из набора монохроматических лучей, и наборы эти различны для разных атомов.

До сих пор нас большей частью интересовала только одна характеристика волн — их частота ν. Однако лучи — сложное явление, и свойства их нельзя свести только к частоте излучения. Солнечный луч прозрачен, но вполне материален — он даже имеет вес: каждую минуту на квадратный сантиметр поверхности Земли падает 2 • 10^-15 г света. На первый взгляд неощутимо мало, но это означает, что за год на нашу планету падает 80 тысяч тонн солнечных лучей. Эти тонны лучей осуществляют круговорот веществ в природе, так что в конечном итоге вся жизнь на Земле возможна только под Солнцем.

Действие излучения легче всего сопоставлять с морскими волнами, набегающими на берег: после работ Христиана Гюйгенса (1629—1695) и Огюстена Жана Френеля (1788—1827) такая аналогия стала бесспорной. Каждый год приносил новые этому доказательства в явлениях интерференции и дифракции света. В 1873 году Джемс Клерк Максвелл (1831—1879) теоретически; предсказал, что свет, падая на поверхность тел, должен оказывать на них давление (также в полном согласии с нашей аналогией). Световое давление — очень тонкий эффект, но Петр Николаевич Лебедев (1866—1912) в 1899 году все-таки обнаружил его экспериментально. Казалось, теперь волновая природа света доказана настолько надежно, что всякие дальнейшие опыты для ее проверки не имеют смысла.

К счастью, опыты в физике ставят не только для проверки теорий. И в то время, когда Лебедев завершал свой знаменитый эксперимент, уже существовал другой, столь же тщательный, но более непонятный. В 1887 году Генрих Рудольф Герц (1857—1894) (тот самый, который доказал волновую природу электромагнитного излучения и тем самым справедливость всей электродинамики Максвелла) обнаружил явление, впоследствии названное фотоэффектом. Суть его в следующем.

Если свет ртутной лампы (теперь мы такие лампы называем кварцевыми) направить на металл натрий, то с поверхности его полетят электроны.

В конце века большая часть физиков уже ясно сознавала, что атом сложен, и потому само по себе это явление никого не удивило. Довольно быстро все согласились с тем, что электроны в опыте Герца вылетают из атомов натрия под действием излучения кварцевой лампы.

Странно и непонятно было другое — законы этого явления. Установлены они были Филиппом Ленардом (1862—1947) и Александром Григорьевичем Стрлетовым (1839—1896) на рубеже XX века. Эти ученые измеряли число выбитых электронов и их скорость в зависимости от интенсивности и частоты падающего излучения.

Мы уже знаем, что лучи, возникающие внутри атомов, различаются между собой не только длиной волны А (или что то же, частотой ν), но также интенсивностью. Это ясно видно на спектрограммах: некоторые линии там значительно ярче других, например в желтом дублете натрия линия D₂ вдвое ярче линии D₁.

Наш предыдущий опыт и знания о волнах подсказывают нам, что действие волн тем заметнее, чем больше их амплитуда. Чтобы убедиться в этом, достаточно выйти на берег моря во время шторма. Значит, увеличивая амплитуду, мы тем самым увеличиваем интенсивность лучей. Интенсивность излучения можно увеличить и по-другому: увеличивая число излучающих атомов. Поэтому, если вместо одной ртутной лампы взять две, три, десять, то интенсивность излучения возрастет во столько же раз. Естественно ожидать, что и энергия выбитых электронов вырастет в такой же пропорции.

Но энергия электронов оставалась прежней, менялось лишь число их.

Такова первая несообразность, которая ожидала ученых в конце опытов. Зато энергия зависела от частоты падающего излучения, и притом сильно.

Кварцевая лампа излучает фиолетовые и ультрафиолетовые лучи. Оказалось, что если вместо них на поверхность натрия направить пучок красных лучей, то электроны не вылетят вообще.

— Если излучение — волновой процесс (а это строго доказано), такого не может быть, — утверждали одни.

— Но ведь это происходит! — возражали другие.

Если бы несколько прибрежных утесов неожиданно обрушились на ваших глазах, почти наверное вы бы стали искать внешние причины такой катастрофы. Конечно, волны моря постепенно размывают берег, и время от времени утесы рушатся, но все знают, как редко это бывает. Но если, обернувшись к морю, вы обнаружите там военный корабль, который ведет по берегу пальбу из орудий главного калибра, вы сразу догадаетесь, что причина внезапных разрушений не волны, а снаряды, хотя их энергия и меньше, чем общая энергия морских волн. Однако энергия волн равномерно распределена по всему побережью, и нужны века, чтобы мы увидели результаты их ежедневной работы. По сравнению с этой работой энергия снаряда ничтожна, зато она сосредоточена в малом объеме и выделяется мгновенно. Если к тому же снаряд достаточно велик — он разрушит утес. Последнее важно: действительно, все свойства снаряда, кроме размеров, присущи и пуле, однако сокрушить скалу ей не под силу.

Примерно так рассуждал Эйнштейн, когда предложил свое объяснение явления фотоэффекта. Он знал об открытии Планка, но для него, с его непредвзятой манерой мышления, гипотеза о квантах света не казалась столь ужасной, как самому Планку. Поэтому он был первый, кто не только поверил в нее, но и применил для объяснения новых опытов. Эйнштейн утверждал: свет не только испускается квантами, как того требовала гипотеза Планка, но и распространяется так же — квантами. Поэтому свет, падающий на поверхность металла, подобен не морским волнам, а артиллерийским снарядам. Причем каждый такой снаряд-квант может выбить из атома только один электрон.

Согласно Планку (вспомните первую главу), энергия снаряда-кванта равна h ν. По мысли Эйнштейна, какая-то часть ее, назовем ее Р, расходуется на то, чтобы вырвать электрон из атома, а остальная часть — на то, чтобы разогнать его до скорости v, то есть сообщить ему кинетическую энергию (m v²)/2. Оба эти утверждения можно коротко записать в виде простого уравнения:

h ν = P + (m v²)/2.

Стоит принять эту гипотезу — и явление фотоэффекта проясняется. Действительно, пока размеры снарядов малы (красный свет), они не могут выбить электрон из атома (h ν P). Но по-прежнему энергия «снарядов-квантов» будет зависеть только от их величины (то есть от их частоты ν), а не их числа.

Шестнадцать лет спустя глубокую простоту уравнения Эйнштейна Шведская академия наук отметила Нобелевской премией. Но в 1905 году, когда уравнение было написано впервые, на него нападали все, даже Планк. Он любил Эйнштейна и потому, убеждая прусское министерство просвещения пригласить его на работу в Берлин, просил «...не слишком сильно ставить ему в упрек» гипотезу относительно явлений фотоэффекта.

Планка можно понять: только что вопреки общепринятым традициям и своему желанию он ввел в физику квант действия h. Лишь постепенно приходило к нему сознание неизбежности этого шага. Даже в 1909 году он признавался Эйнштейну: «Я еще плохо верю в реальность световых квант». Однако дело было сделано: «...Планк посадил в ухо физикам блоху», — говорил Эйнштейн двадцать лет спустя, и она не давала им покоя, хотя они и пытались ее не замечать. Во всяком случае, Планк постарался ввести квант действия так, чтобы не пострадала волновая оптика — здание чрезвычайной красоты, созданное в течение двух столетий. Поэтому согласно Планку свет только испускается квантами, но распространяется по-прежнему как волна; только в этом случае удавалось сохранить все результаты волновой оптики.

А Эйнштейн поступал так, как будто до него вообще не существовало физики или, по крайней мере, как человек, ничего не знающий об истинной природе света. Здесь сказалась замечательная особенность Эйнштейна: в совершенстве владея логикой, он больше доверял интуиции и фактам. Для него не было случайных фактов в физике. Поэтому в явлениях фотоэффекта он видел не досадное исключение из правил волновой оптики, а сигнал природы о существовании еще неизвестных, но глубоких законов.

Так уж случилось, что исторически сначала были изучены волновые свойства света. Только в явлениях фотоэффекта физики впервые столкнулись с его корпускулярными свойствами. У большинства из них инерция мышления была настолько велика, что они отказались этому верить. «Не может быть!» — повторяли они, подобно фермеру, увидевшему жирафа впервые в жизни.

Эйнштейн, конечно, знал историю оптики не хуже других. Но его независимый ум равнодушно относился к ее солидному авторитету. Все прежние заслуги оптики для него не имели значения, если они не могли объяснить единственный, но бесспорный опыт. Он глубоко, почти религиозно, верил в единство природы, и для него один такой опыт значил не меньше, чем вся история оптики. А его честность не позволила ему пройти мимо неугодного факта.

В науке по-настоящему опасны только неверные опыты: опытам принято верить. Но любую гипотезу — какой бы привлекательной она ни казалась — всегда тщательно проверяют. Даже если она окажется ложной, опыты, которые ее опровергли, часто приводят к результатам более ценным, чем сама гипотеза. Проверили и гипотезу Эйнштейна — она оказалась истинной.

В 1911 году Роберт Милликен, проверяя уравнение Эйнштейна, определил из него величину постоянной Планка h. Она совпала с тем значением, которое получил Планк из теории теплового излучения. А вскоре поставили опыт, идея которого в точности аналогична картине разрушения утесов на берегу моря. И снова оказался прав Эйнштейн, а не признанный авторитет волновой оптики.

Роберт Милликен

Конечно, Эйнштейн не отрицал, что она все-таки существует. И не оспаривал опытов, которые доказывали волновую природу света. Просто он довел возникшее противоречие до логического конца и предоставил разрешать его следующему поколению физиков.

Несмотря на единодушные протесты, мысль о квантах света не погибла и восемь лет спустя дала могучие всходы. Это произошло в 1913 году, когда в лабораторию Резерфорда пришел застенчивый и неторопливый датчанин Нильс Бор.

ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ ПОБЕДА АТОМИСТИКИ

20 мая 1904 года в Манчестере, где провел лучшие годы своей ученой деятельности Джон Дальтон, с торжественностью, к которой обязывают традиции англичан и значительность события, был отмечен столетний, юбилей атомной теории материи.

Победа ее пришла не сразу: даже после работ Дальтона многие долгое время смотрели на атомистику просто как на «...любопытную гипотезу, допустимую с точки зрения нашей познавательной способности». Единодушие, с которым философы прошлого века отрицали существование атомов, пошатнуло веру в их реальность и у физиков. Например, философ и физик Эрнст Мах (1838—1916) прямо называл всех атомистов «общиной верующих». Его можно понять: человеку трудно вообразить себе нечто далее принципиально неделимое. И все же в начале века идея об атоме победила окончательно: разум оказался способным понять даже то, чего он не в состоянии представить. И случилось это гораздо раньше, чем через 300 лет, как предсказывал Людвиг Больцман (1844—1906), трагически погибший в своем одиночестве, не понятый современниками.

Но победа эта все-таки немного запоздала: после работ Томсона и Резерфорда понятие «атом» потеряло свой прежний смысл. Стало ясно, что атом — это не самая простая частица вещества, хотя его и нельзя расщепить средствами химии. «К сожалению, законы природы становятся вполне понятными только тогда, когда они уже не верны», — говорил Эйнштейн. Это не означает, конечно, что одновременно с этим законы теряют и все свое значение. В истории атома независимо от дальнейших успехов науки — доказательство его реальности (даже в старом смысле ατομος — неделимый) навсегда останется одной из самых важных ее побед.

Окончательное утверждение атомистики также связано с именем Эйнштейна: в том же 1905 году независимо от польского физика Мариана Смолуховского (1872—1917) он дал математическое описание брауновского движения. Его теорию подтвердил экспериментально Жан Перрен, который в 1909 году предпринял систематические и тщательные исследования брауновского движения. И до Перрена многие физики были убеждены, что истинная причина этих движений — толчки молекул жидкости, которые сами невидимы даже в лучший микроскоп. Но удивительные по изяществу опыты Перрена не просто доказали справедливость этих утверждений — из них следовало нечто большее: непонятное движение частиц в жидкости есть точная модель истинного движения невидимых молекул, увеличенная в несколько тысяч раз. Поэтому, изучая брауновское движение частиц, мы тем самым получаем наглядную картину движений невидимых молекул. (Точно так же, как знание свойств радиоволн дает нам представление о волнах света н даже о рентгеновых лучах.)

После этих работ гипотезу об атомах признали все, даже знаменитый враг ее — Вильгельм Оствальд (1853—1932). А в 1909 году тот же Резерфорд, который доказал сложную структуру атома, вместе с Ройдсом дал и наиболее убедительное доказательство атомистической структуры вещества. Вот как это произошло.

Уже давно было замечено, что в минералах, содержащих радиоактивные вещества: торий, уран, радий, скапливается гелий. Измерили даже, что из 1 г радия в состоянии радиоактивного равновесия выделяется 0,46 мм³ гелия в день, то есть 5,32 • 10^-9 см³/сек. После установления природы «α-частиц ничего чудесного в этом факте не было. Но Резерфорд на этом не остановился: он сосчитал число «α-частиц, которое вылетает в секунду из 1 г радия. Оно оказалось большим, но вполне определенным: 13,6 • 10¹⁰ частиц/г • сек. Все эти «α-частицы, захватив по два электрона, превращаются в атомы гелия и занимают объем 5,32 • 10^-9 см³. Следовательно, в 1 куб. см содержится

L = (13,6 • 10¹⁰)/(5,3 • 10^-9) = 2,56 • 10¹⁹ атомов.

Но ведь это и есть то самое число Лошмидта, которое он вычислил на основании молекулярно-кинетической гипотезы! Действительно, один грамм-атом гелия (как и любого газа) занимает объем 22,4 л и содержит 6,02 • 10²³ атомов, то есть в 1 см³ помещается атомов

L = (6,02 • 10²³)/(22,4 • 10³) = 2,69 • 10¹⁹.

Совпадение убедительное.

Но человеку присуща необъяснимая потребность: прежде чем признать что-то окончательно, ему надо увидеть это что-то своими глазами. (Строго говоря, для этого нет никаких оснований: мы постоянно становимся жертвами оптических обманов). Эту любопытную потребность человеческого познания вполне удовлетворил в 1911 году Чарлз Томсон Рис Вильсон (1869—1959). После пятнадцати лет усилий он создал свою знаменитую камеру, которая позволяла проследить движение отдельных «α-частиц по туманным следам, которые они оставляли.

Любопытство

Конечно, значение этого изобретения было не в том, что оно успокоило капризы человеческой психики, а в том, что в руках у физиков был теперь новый инструмент для исследования структуры атома.

Мы напомнили сейчас далеко не все опыты, которые в конечном итоге убедили всех: да, действительно, число N атомов в грамм-молекуле любого вещества хотя и очень велико, но конечно. Как и число людей на Земле, это число N не может быть дробным. Более того, число Авогадро N = 6,02497 • 10²³ мы знаем сейчас значительно точнее, чем число жителей Земли.

«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания вдруг оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом — это ничего не меняет): Все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому.

В одной этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».

Эти слова принадлежат Ричарду Фейнману, нашему современнику, Нобелевскому лауреату 1965 года по физике. И хотя они почти дословно повторяют Демокрита, понятия и образы, которые мы с этими словами связываем теперь, совсем другие: за 25 столетий об атоме узнали много нового.

Это было не просто — просты только результаты науки, и они не зависят от личности исследователя — в этом их ценность.

ВОКРУГ КВАНТА

АТОМЫ И ПУСТОТА

Даже люди, легко гнущие подковы, признают, что атомы твердые: в детстве им ведь тоже приходилось расшибать коленки об углы. Поэтому очень трудно представить себе атом таким же пустым, как пространство между Землей и Солнцем, и в то же время необычайно устойчивым.

Известно, например, что вода останется водой даже под давлением в 10 тыс. атмосфер. Это очень большое давление: так примерно будет давить слон, если его поставить на площадку в 1 кв. см. Легко подсчитать, что при таком давлении на каждый атом действует сила примерно 10^-9 г, то есть в 100 миллионов миллионов (10¹⁴) раз превышающая его собственный вес (10^-23 г). Это все равно как если бы на того же слона взгромоздить сотню Джомолунгм.

Все это удивительно, но не мешает атомам быть пустыми, поразительно пустыми: все ядра атомов, из которых построена Джомолунгма, можно упаковать в один мешок.

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА

Неизвестно, как обернулась бы история атома, если бы физики не изобрели дифракционную решетку.

Ее использовал уже Фраунгофер; Ангстрем сделал ее главным инструментом своих исследований, и наконец Роулэнд придал ей почти современную форму. Принцип действия решетки основан на явлении дифракции, то есть на способности волн огибать препятствие, если оно сравнимо с их длиной. Волны различной длины огибают препятствие по-разному, что позволяет разделить их и точно измерить.

Благодаря этому прибору в спектроскопии достигнуты точности измерений, удивительные даже для физики. Уже в начале века удавалось разделить две линии в видимом спектре, если их длины волн отличались друг от друга хотя бы на 10^-3 Ǻ (сейчас точность повышена до 10^-4 Ǻ).

Чтобы наглядно представить себе точность подобных измерений, вообразите, что вы захотели измерить длину экватора с точностью до метра. Ясно, что в этой попытке нет нужды, да и особого смысла тоже, просто потому, что результат такого измерения будет зависеть от каждого муравейника на пути. Но в спектроскопии подобные усилия представляют не только спортивный интерес; и дальнейшая история атома убедительно это доказала — вопреки недоверию и насмешкам, которые эти усилия подчас сопровождали. Тому подтверждением — судьба эталона метра.

Знаменитый платино-иридиевый стержень с двумя рисками, отлитый по решению Конвента и хранящийся под стеклянным колпаком в Международном бюро мер и весов в Севре близ Парижа, оказался неравным в точности одной сорокамиллионной доле земного меридиана, как это вначале предполагали.

Французский академик Жак Бабине (1794—1872) был одним из первых, кто высказал сомнение в целесообразности такого выбора эталона длины и предложил принять за эталон длину волны какой-либо спектральной линии «...как величину, абсолютно неизменную и независимую даже от космических переворотов». Его предложение приняли только в 1958 году, когда был узаконен новый эталон метра: длина, на которой укладывается 1 650 763,73 длины волны оранжевой линии криптона Кr-86 в вакууме.

ЧТО СДЕЛАЛ РЕЗЕРФОРД?

В начале века мысли о планетарном строении атома не были такой редкостью, как это принято сейчас думать. Эти мысли открыто излагались даже на страницах учебников.

Для примера приведем несколько выдержек из III тома курса электричества, изданного в 1908 году профессором Парижского университета Г. Пелла:

«...атом не является неделимой частичкой материи. Испускание света, дающего спектральные линии, характерные для каждого рода атомов, указывает уже на разнородность атомов. Можно было бы предположить, что атом состоит из очень большого числа корпускул, которые притягиваются к какому-нибудь центру, как планеты притягиваются к Солнцу.

Для нейтральности атома необходимо, чтобы положительный электрический заряд, который, как мы предположили, находится в центре атома, был бы равен по абсолютной величине сумме отрицательных зарядов-корпускул, вращающихся вокруг него.

Словом все световые, электрические, тепловые и механические явления можно объяснить, допустив существование двух различных материй: корпускулы, или отрицательного электрона, и положительного электрона, о котором нам почти ничего не известно. Центральный положительный заряд атома состоит из совокупности положительных электронов, число которых изменяется в зависимости от рода атома, но остается вполне определенным для каждого рода атомов...

Лишнее было бы доказывать красоту этой теории, которая дает возможность объяснить все известные до сих пор явления и позволяет связать столько явлений и законов, не имевших, казалось, ничего общего между собой».

После этой цитаты многие разочаруются: Резерфорд не придумал ничего нового. Это обычное и частое заблуждение происходит от непонимания различий между наукой и натурфилософией. В науке действует строгое правило: открыл тот, кто доказал. А доказать что бы то ни было в науке можно лишь с помощью опытов и чисел.

Все прежние высказывания опирались на чистое умозрение и потому звучали примерно так: атом, вероятно, может иметь такую-то структуру. Только Резерфорд имел моральное право сказать: «Так должно быть. Я могу доказать это с числами в руках. И каждый, кто захочет, может проверить их, если повторит мои опыты».

«Сказать, оно конечно, все можно, а ты поди демонстрируй», любил повторять Менделеев. И эту разницу «между расплывчатой идеей и научным доказательством всегда следует помнить в частых спорах о приоритете, которые время от времени вспыхивают в истории науки. В таких случаях разумно считать создателями теорий не тех, кто их впервые высказал, а тех, чьи работы — в силу глубоких причин или случайных обстоятельств - оказали решающее влияние на последующее развитие науки. В этом есть элемент чисто человеческой несправедливости. Но история не мыслит категориями морали: ее задача не успокоение обид, а установление истинной последовательности причин и следствий.

СВЕТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ

Гипотеза о световом давлении появилась уже во времена Кеплера, который выдвинул ее в 1619 году для объяснения происхождения и формы хвостов комет. О величине светового давления не было известно ничего и, как всегда в таких случаях, о нем рассказывали баснословные истории. Например, некто Гартзокер в 1696 году передавал рассказ путешественников, по словам которых «течение вод Дуная значительно медленнее утром, когда лучи Солнца противодействуют его движению, и ускоряется после полудня, когда лучи Солнца помогают его течению».

До конца прошлого века многочисленные попытки обнаружить световое давление экспериментально оканчивались полной неудачей. Причина этих неудач стала вполне ясной после теоретических работ Максвелла и успешных опытов Лебедева. Оказалось, что световое давление очень мало. Например, даже в ясный, безоблачный день давление солнечного луча на площадку в 1 кв. см не превышает 0,82 • 10^-10 г. Для сравнения напомним, что маковое зерно весит в миллион раз больше.