10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА

Одним из самых распространенных терминов новой науки стал «квантовый скачок», вызывающий у обычного человека некую ассоциацию с «Большим Скачком» в лозунгах председателя Мао. Понятие возникло в результате важнейшего открытия Нильса Бора, и на его примере можно наглядно продемонстрировать отличие квантово-механических представлений от привычных нам ньютоновских. Для лучшего понимания следует вспомнить историю ядерной физики. Примерно сто лет назад, в 1911 году Эрнест Резерфорд сделал сенсационное открытие и показал, что все кажущиеся нам твердыми объекты фактически состоят из… пустого пространства (это относится и лично к вам, читатель!). Человеческое тело содержит около 30 триллионов клеток, в состав каждой из которых, в свою очередь, входят примерно 90 триллионов атомов. Так вот, результаты опытов Резерфорда убедительно и однозначно продемонстрировали, что каждый атом состоит из очень маленького ядра или центра, в котором, однако, сосредоточена практически вся его масса, и совершенно крошечных электронов (с массой лишь около 0,002 от массы протонов и нейтронов, составляющих ядро), причем эти электроны вращаются на огромных расстояниях (естественно, в ядерных масштабах). Если бы ядро было достаточно большим (например, имело вид шарика с диаметром 0,5 см), то электроны вращались бы вокруг этого шарика на расстоянии в 700 метров, что соответствует примерно горошине в центре гигантского круга, площадью в несколько футбольных полей. Ядро, в котором заключена практически вся масса атома, занимает лишь одну миллионную долю его объема (поэтому, собственно говоря, любые описания атомов остаются приближенными или условными), но несет положительный электрический заряд, равный отрицательному заряду всех электронов вместе, в результате чего атом в целом остается электрически нейтральным.

На блестящих экспериментах и гипотезах Резерфорда основана вся современная атомная физика, но вначале отношение к ним оставалось довольно скептическим, прежде всего потому, что Резерфорд был скромным молодым практикантом, приехавшим в знаменитый Кембриджский университет из Новой Зеландии. Неудивительно, что именитые английские физики, полагавшие себя единственными и прямыми наследниками или хранителями великого теоретического наследия Исаака Ньютона (в Кембридже этих профессоров называли Старыми Быками, Old Bulls), отвергали идеи Резерфорда почти без обсуждения, поскольку эти идеи явно противоречили всем законам классической ньютоновской физики. Атом с предлагаемой Резерфордом структурой действительно не имел никакого права на существование в рамках старых представлений и должен был неизбежно распадаться или «сплющиваться», в то время как входящие в его состав вращающиеся электроны были обязаны непрерывно излучать энергию и «падать» на положительно заряженное, устойчивое и массивное ядро. В классической теории ни один электрон не мог удерживаться на орбите долго, и все атомы (а за ними и вся Вселенная) должны были очень быстро схлопнуться в крошечную по объему горстку ядер.

***

Однако через два года Нильс Бор пробил еще одну брешь в «крепостной стене» классической теоретической физики, применив к теории атома принципы эйнштейновской теории относительности, причем применив их самым решительным образом. В своих первых работах Эйнштейн рассматривал свет в качестве волн, но уже в 1905 году (следуя Планку) стал описывать видимый свет и любое другое электромагнитное излучение как поток дискретных частиц (кстати, работы Эйнштейна по теории относительности и квантовой механике были опубликованы почти одновременно). Слово «квант» по-латыни означает порцию, небольшую часть чего-то, а Эйнштейн удачно предложил для крошечных порций светового потока термин «фотон», который быстро стал общеупотребительным.

Через два года после появления резерфордовской модели атома Нильс Бор выдвинул неожиданную и блестящую гипотезу, согласно которой электроны в атоме не падают на ядро по той простой причине, что они могут двигаться лишь по строго определенным правилам. Точно так же как кванты энергии отражают «разрывную», дискретную природу излучения, существование и движение электронов в модели Бора отражало «разрывную», дискретную природу строения самих атомов. В частности, модель предполагала, что электроны в атоме могут находиться лишь в некоторых, строго определенных энергетических состояниях, которым и соответствуют наблюдаемые и реально существующие стационарные электронные орбиты.