Порванные нити

Впрочем, мы забежали вперед. Прослеживая торжественный марш новых идей, мы не должны забывать, что продвижение это носило драматический характер. Ученые разрушали многовековое представление об элементарности атома, цепляясь за старые истины, стремясь сохранить саму идею существования простейших, элементарнейших "прачастиц".

Томсон, определивший заряд и массу электрона, предположил, что именно электроны и есть эти "прачастицы", что из них возникают все атомы, если их объединяет между собой некая сила. В первом варианте этой гипотезы роль связующей силы играла магнитная сила. Но огромная - тысячекратная разница масс электрона и атома водорода делала такую гипотезу чрезмерно сложной.

Во второй гипотезе Томсон обращается к электростатической силе, считая, что пространство, в котором собраны электроны, образующие атом, способно действовать так, как если бы оно имело положительный заряд, равный сумме отрицательных зарядов электронов,

Неясность этой гипотезы составляет ее основное достоинство - ее трудно опровергнуть. Но она не позволяет понять, как устроен атом.

Томсон и другие ученые стремились уточнить эту модель и получили много интересных результатов. Предлагали еще ряд моделей, но и они, как этого следовало ожидать от любого построения, основанного на гипотезах, не выдерживали проверки опытом. Все это были симптомы глубокого кризиса физики начала нашего века.

Трагедия одного из величайших физиков - Больцмана показывает, как сложно обстояли дела в мире физики. Больцман покончил с собой. Он отчаялся в своей борьбе за материалистическое понимание явлений природы.

Решающий шаг внутрь атома сделал Резерфорд. Он обстрелял мишень из тонкой металлической фольги узким пучком альфа-частиц и... поразился! Наблюдения за дальнейшим поведением альфа-частиц заставили его сделать однозначный вывод: "Положительный заряд, связанный с атомом, сконцентрирован в крошечном центре, в ядре, а компенсирующий отрицательный заряд распределен в сфере с радиусом, сравнимым с радиусом атома".

Расчеты показали, что радиус ядра сравним с величиной, принятой тогда для радиуса электрона, а радиус атома превосходит его примерно в сто тысяч раз и составляет около стамиллионной доли сантиметра.

Так возникла планетарная модель атома: малое тяжелое положительное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Количество электронов таково, что их суммарный заряд компенсирует положительный заряд ядра.

Заряд ядра соответствует номеру элемента в таблице Менделеева. Химические свойства элемента определяются числом и взаимным расположением электронов.

Человеческое мышление склонно к аналогиям. Было естественно предположить, что электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Это выглядело весьма правдоподобно и просто: большое повторяется в малом.

Все было хорошо в этой модели. Она могла непротиворечиво объяснить многие явления, но... не могла существовать! Физики сразу заметили неблагополучие в такой привлекательной картине. Солнце и планеты электрически нейтральны, а ядра атомов и электроны - это тела заряженные. И их взаимоотношения совсем иные. Следуя законам электродинамики, отрицательно заряженные электроды, вращаясь вокруг положительного ядра, должны постепенно потерять свою энергию и упасть на него. Но такого явления никто никогда не наблюдал. Если бы электроны атомов вдруг начали падать на ядра, настал бы конец света!

Итак, напрашивался единственный вывод: либо неверны законы электродинамики, либо атомы устроены иначе.

Правильность законов электродинамики не вызывала сомнений. Ее подтверждала работа электрических двигателей и генераторов, действие радиотелеграфа, поведение стрелки компаса и многое другое. Кризис физики все обострялся... Однако развитие науки шло по пути диалектического преодоления внутренних противоречий.

Выход из тупика указал в 1913 году Бор. Его объяснение повергло физиков в недоумение.

Представьте себе реакцию человека, которому сообщили сенсационную новость: в Азии совсем иные законы природы, чем в Европе. В Азии в отличие от Европы деревья растут вверх корнями...

Нечто похожее произошло в среде физиков, когда молодой датский ученый Нильс Бор высказал свою догадку: в микромире не применимы законы макромира. В атоме - другие законы природы, чем вне его. Если в свободном пространстве заряженное тело при движении по окружности теряет энергию, то внутри атома этого не происходит.

Бор утверждал, что электроны в атоме не подчиняются классической электродинамике: могут вращаться на определенных стационарных орбитах, не излучая энергии. Излучение происходит только при переходах электронов с одной из стационарных орбит на другую - более близкую к ядру. Тут электрон выстреливает порцию энергии - квант.

Бор на этом не остановился. Он сообразил, что величина излученной электроном энергии пропорциональна расстоянию между орбитами! Если электрон перелетит недалеко, скажем, на соседнюю орбиту, он излучит маленький квант - красного цвета. А если перескочит на более дальнюю орбиту, то успеет излучить квант побольше - голубого или даже фиолетового цвета.

Бор своим предположением убил сразу двух зайцев: объяснил устойчивость атома и понял секрет цветных линий в спектрах излучения разных веществ.

Так, прибегнув к квантовой теории, он связал свою модель атома с опытными данными, полученными при помощи спектрального анализа. Поняв, почему в спектре каждого атома множество разноцветных линий - они иллюстрируют способность атома излучать кванты тех или иных цветов,- он сумел раскрыть и секрет строения атома, узнать схему расположения орбит, их возможное количество, расстояния между ними и многое другое.

Этот момент очень важен для истории науки.

Веками имея дело со сравнительно большими телами, люди привыкли считать, что энергию можно делить на произвольные порции. Когда оказалось, что в микромире это невозможно, что в атомных масштабах энергия способна существовать только как совокупность определенных порций - квантов и что величину квантов надо определять с помощью новых, не известных еще законов, многие физики от этого просто поначалу отмахнулись. Но когда датский фантазер догадался, что квантовые законы обуславливают устойчивость атома - это, конечно же, не могло не изменить умонастроение даже отъявленных скептиков. Квантовые законы спасают мир от ультрафиолетовой катастрофы, делают атомы надежнее крепостных стен - это было уже очень серьезно. И внимание ученых в первой четверти нашего столетия обращено на Копенгаген, где на большом творческом подъеме Бор и его единомышленники - молодые ученые разных национальностей - пересматривали старые истины и искали новые.

Психологически это был трудный поворот. Ученые, не успев привыкнуть к тому, что вместо непрерывных процессов, подчиняющихся законам классической физики, в природе царствует дискретность, прерывистость, должны были начинать новую жизнь: привыкать к мысли, что в микромире уже нельзя пользоваться формулами классической физики. Нужно выявлять квантовые законы и применять их для исследования микромира.

Недоумение, с которым встретили физики выход из тупика, указанный Бором, перешло в триумфальное шествие, когда Бор, а за ним теоретики Вильсон и Зоммерфельд начали на основе модели Бора рассчитывать спектры атома водорода. Модель позволяла наглядно представить и возникновение Периодического закона, открытого Менделеевым. Однако восторг сменился разочарованием, когда выяснились некоторые тонкие расхождения между расчетными величинами и наблюдаемыми спектрами водорода, а затем оказалось, что модель не позволяет рассчитать спектры более сложных атомов, даже второго по сложности атома - гелия. Возникла горькая поговорка: "Атом Бора это не атом бора, а атом водорода".

Так трагической неудачей закончился период величайших успехов физики начала нашего века.

Тогда существовала надежда, что удастся построить наглядную и непротиворечивую картину мира, основанную на трех простейших элементах: протонах - ядрах атома водорода, из которых образуются все ядра, электронах - ответственных за все электрические и химические явления, и фотонах - объясняющих все оптические явления и их связь со строением атома. Все эти надежды рухнули.

После перерыва, вызванного первой мировой войной, физики вновь принялись за работу. Впрочем, физики старшего поколения, не призванные в армию, и в эти годы продолжали искать порванные нити старых и новых теорий.

В эти годы Эйнштейн трудился над обобщением теории относительности, желая найти в ней место для неравномерных движений, например для падения тел в поле тяготения и для вращательных движений. В 1916 году он достиг решающих успехов, опубликовав ряд работ, развивавших общую теорию относительности и позволявших охватить едиными формулами простые движения, поле тяготения и центробежные силы. Этим Эйнштейн заложил основу несбывшейся мечты всей его дальнейшей жизни - мечты о единой теории, описывающей все известные и еще не открытые поля.

Одновременно Эйнштейн стремился попять, как можно примирить существование фотонов (частиц света) с такими явлениями, как дифракция и интерференция, свидетельствующими о том, что свет обладает несомненными волновыми свойствами.

Эйнштейна тревожило и то, что отсутствовала связь между механизмом взаимодействия энергии с веществом, понятого Планком (формулой Планка, освободившей науку от призрака ультрафиолетовой катастрофы), и боровской моделью атома, получавшей все большее экспериментальное подтверждение. Нужно было как-то соединить эти две половины одной медали. Ведь то, что происходит внутри атома и вокруг него, несомненно, части одной картины.

Это оказалось непростым делом.

Эйнштейн нашел выход. Он использовал и объединил далекие в то время области - радиоактивность и теорию спектров.

Исследование радиоактивности выявило ситуацию, которую невозможно предсказать. Принудило признать наличие в природе непредсказуемых явлений: в частности, индивидуального акта радиоактивного распада. Заставило смириться с тем, что природа разрешает предугадать лишь то, какая доля атомов из данного количества распадется за определенное время, но не позволяет узнать, когда именно это случится с тем или иным из них.

Среди законов природы есть закон случая. И когда ученые говорят о вероятностных явлениях, они имеют в виду те, что происходят по закону случая. Радиоактивный распад иллюстрирует именно непредсказуемые процессы.

Конечно, такая ситуация вызывала известное неудовольствие. Но что было делать, с этим приходилось мириться. Ученые, возможно, утешали себя примером Ньютона: тот тоже мирился с незнанием природы сил тяготения, удовлетворившись тем, что установил результат действия этих сил и сумел найти им количественную оценку.

А кроме того, нельзя сказать, что вероятностные законы оказались такой уж новостью. Они явились неожиданностью лишь в отношении атомов и элементарных частиц. В мире больших тел, в привычном нам мире не только ученые, но каждый из нас не раз сталкивался с законами случая.

Осень, Облетают листья. Совершенно очевидно, что почти все они упадут на землю. Но ни одна теория не предскажет, куда упадет каждый лист. Можно лишь с определенной вероятностью утверждать, что листья будут располагаться в основном вокруг дерева. Большая их масса - под кроной. Часть отлетит в сторону. Какое-то количество будет унесено ветром.

Тут действует закон случая - "закон опадающих листьев"...

Эйнштейн смело использовал этот закон в применении к микромиру. Он провел аналогию между вероятностью радиоактивного распада и вероятностью рождения фотонов при перескоке электронов внутри атома с орбиты на орбиту.

По мнению Эйнштейна, акты излучения и поглощения фотонов тоже подчиняются "закону опадающих листьев" - вероятностным законам. Эти законы относятся к поведению совокупности тел: листьев, атомов. Для большого скопления тел эти законы дают точную формулу поведения. Но о каждом из них в отдельности умалчивают. Для отдельного атома, как и для отдельного осеннего листа, законы природы разрешают определить лишь вероятность того или иного события. Излучит атом фотон или поглотит - дело случая. Можно только подсчитать вероятность этого для данного отрезка времени.

Наверно, нечто подобное происходит при наступлении атакующей армии: можно определить, сколько снарядов и пуль выпустила в неприятеля эта армия, но невозможно установить, какой солдат или орудие и когда выпустило ту или иную пулю.

Вывод: нет и не может быть жесткой связи между моментом рождения квантов внутри "атома Бора" при перескоке электронов с одной орбиты на другую и формулой Планка, рисующей поведение этих квантов - потока излучения из вещества - уже вне атома.

Это обескураживало физиков. Жизнь вносила в строгую, привычную к точности физику неопределенность, граничащую с произволом. Пока ученые видели лишь то, что вновь открытые ими квантовые законы запрещают, не видя еще того, что они разрешают.

Об этом догадался опять-таки Эйнштейн. В его работе, опубликованной в 1917 году, был один нюанс, роль которого выяснилась много позже. Эйнштейн заподозрил возможность управлять излучением атомов. Он указал на то, что атом может излучать не только под влиянием непознанных еще внутренних причин, но и в результате воздействия внешнего электромагнитного поля. Это был намек на сенсационные возможности для техники будущего.

Важность этого замечания и его глубокий смысл долго ускользали от большинства ученых. Лишь незадолго до Великой Отечественной войны молодой преподаватель Московского энергетического института Фабрикант увидел в теории Эйнштейна возможность создать усилители света, работающие за счет внутренней энергии атомов и молекул. Много позже, в 1954 году ученые следующего поколения Басов и Прохоров в Москве и независимо от них Таунс в Нью-Йорке, не зная о предложении Фабриканта, создали молекулярный генератор радиоволн, основанный, по существу, на той же работе Эйнштейна. Конечно, для создания этого прибора им пришлось учесть сложные закономерности из области радиофизики и молекулярной физики. Они вступили в интереснейшую область познания, давшую человечеству мазеры и лазеры, которые в свою очередь открыли широкие пути познания природы и развития технологии. Но об этом речь впереди.

Пока же мы должны понять, как постигали ученые давнюю дилемму "волна - частица".

Итак, Эйнштейн, уверовав в квантовую сущность природы, еще дальше отошел от волновой теории света. Остальные же ученые старшего поколения продолжали бить тревогу, указывать на то, что теория фотонов не способна объяснить те оптические явления, которые непринужденно вытекают из волновых представлений. Эти ученые соглашались с фотонами лишь при одном условии: если фотоны представляют собой не физическую реальность, а только прием, облегчающий расчеты.

Впрочем, уже никто не считал эйнштейновские фотоны возвратом к прежним неделимым. Ведь фотоны появлялись в актах испускания и исчезали в актах поглощения, в то время как прежние частицы, например корпускулы Ньютона, считались вечными и неизменными.

Вскоре молодой американец Комптон, крестный отец фотона, доказал, что фотоны могут не только рождаться и исчезать, но и видоизменяться. Он наблюдал воочию, как при столкновении с электроном фотон изменяет и свою энергию, и направление полета. Конечно, можно сказать и так: при столкновении с электроном один фотон исчезает, а совсем другой рождается. Здесь различаются лишь слова. Суть состоит в том, что Комптон обнаружил доказательства реального существования индивидуальных фотонов.

Все попытки объяснить наблюдения Комптона при помощи волновой теории оканчивались неудачей.

Так, оптические явления все более четко располагались как бы в две группы. В одну входят те явления, которые непринужденно объясняются на основании волновой теории и остаются необъяснимыми при помощи фотонов, во вторую - те, что не поддаются волновому описанию и с легкостью вытекают из представления о фотонах.

Известный исследователь рентгеновских лучей, лауреат Нобелевской премии Брэгг описал ситуацию так: каждый физик вынужден по понедельникам, средам и пятницам (занимаясь фотоэффектом и эффектом Комптона) считать свет частицами, а по вторникам и четвергам (изучая дифракцию и интерференцию) считать его волнами.

Вскоре это анекдотичное, а в сущности, неблагополучное положение распространилось в атомную физику.

Физиков беспокоило не только то, что модель атома Бора не позволяет объяснить спектры подавляющего большинства атомов - не дает возможности понять, почему и когда атом излучает те или иные кванты энергии. Само существование стационарных орбит электронов в атоме оставалось необъясненным. Почему электроны могут вращаться вокруг ядра на определенных расстояниях от него? Почему им нельзя вращаться на других расстояниях? Особенно многозначительным казалось то, что расстояния орбит от центра ядра кратны определенным числам, то есть тут явно не было случайности - тут сказывался жесткий закон. Но какой?!

Первый подход к этой загадке нашел совсем молодой французский физик Луи де Бройль. Он представил себе, что электроны в атоме - словно ноты на нотных строчках.

Расстояния между строчками указывают, что изменения частот звучания при переходе со строчки на строчку описываются определенными дробными числами. Так же, как дробные числа, относятся между собой и радиусы орбит в атоме, на которых вращаются электроны.

И де Бройль представил себе, что электрон, словно некое умозрительное подобие звучащей ноты, тоже связан со своей волной. Что ему "уютно" только на такой орбите-строчке, где укладывается целое число его волн. И если ему суждено перескочить на другую орбиту, то он "выберет" такую, где тоже уложится целое число волн. Так у каждого вещества образуется свой набор "нотных строчек", орбит. Это словно паспорт, по которому можно определить, какие кванты способны рождать электроны, перескакивающие с орбиты на орбиту в атоме данного элемента или вещества.

Так де Бройль связал между собой модель атома, придуманную Бором, механизм поведения в нем электронов с тем, что наблюдали исследователи при изучении фотоэффекта - связь цвета облучающего металл света с энергией выбиваемых из металла электронов. Все это французский физик уяснил, размышляя о причинах, которые могли привести к появлению простых целочисленных значений при расчетах орбит электронов в атоме водорода.

Так он понял и секрет связи между частотой и энергией фотона - она уже не выглядела случайной. Физики убедились, что если на примере фотонов эти соотношения выявляют глубокую скрытую связь между корпускулярными и волновыми свойствами света, то на примере с электроном подобная связь существует между корпускулярными и волновыми свойствами материи.

Простая мысль привела к грандиозным следствиям... Теперь не только частица света (фотон) была связана со световой волной, но и электрон (частица материи) также оказался "в паре" с особой волной. Это приобретало уже философский смысл. Выявляло связь между веществом и энергией. И открывало новую страницу в понимании фундаментальных принципов природы.

Расчет; проведенный де Бройлем, дал точное совпадение с боровскими орбитами. Более того: де Бройль показал в общих чертах, что его подход может позволить совместить теорию фотонов с явлениями дифракции и интерференции. То есть его предположение удовлетворяло и тех, кто считал свет частицами, и тех, кто определял его как волну. Между этими теориями оказался посредник - электрон, который раньше числился только частицей, а теперь, с легкой руки де Бройля, обзавелся волновыми свойствами. Путь для слияния корпускулярной и волновой теорий света был найден.

Результаты де Бройля ошеломили ученых. Эйнштейн, всегда со вниманием относившийся к работам молодых, писал известному теоретику Борну о диссертации де Бройля:

"Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно".