Под знаком кванта

Даже по стилю изложения вы, наверное, сейчас заметили, насколько формальная модель атома беднее образами по сравнению с первоначальной моделью Бора, насколько труднее рассказать о ней привычными словами и представить наглядно без привлечения хотя бы простейших формул. И тем не менее вы, вероятно, ощутили ее силу: с ее помощью можно объяснить и предсказать довольно тонкие особенности спектров. Она помогла привести в относительный порядок то устрашающее количество спектральных линий, которое было накоплено за полвека. Теперь, чтобы однозначно определить любую линию в спектре атома, достаточно было задать 8 квантовых чисел: 4 для исходного уровня излучающего электрона (п<, Д-, si} и 4 для конечного (я*, Ik, Sk). К 1925 г. эта героическая работа была закончена. Иероглифы были расшифрованы, что позволило нарисовать первую и пока еще грубую картину внутреннего строения атома.

Конечно, расшифровать спектр какого-либо элемента — задача даже сегодня не особенно легкая, и вполне квалифицированно сделать это могут только специалисты; в конце концов научиться читать даже расшифрованные иероглифы не так уж просто, и к тому же не обязательно уметь это делать всем. Но поскольку ключ к шифру известен, то усвоить его может любой. И теперь уже никого не устрашают длинные таблицы спектральных линий, как не пугают зоологов и ботаников миллионы видов растений и животных: после трудов Линнея, Ламарка и Дарвина все они подчинены строгой систематике.

Со спектральными линиями произошло то же самое, что и с настоящими, египетскими иероглифами: пока их не прочли, ими занимались только египтологи, остальные интересовались этим лишь издали. Но когда иероглифы и спектры расшифровали, одним удалось прочесть историю целого народа, другим — узнать устройство атома. А это уже интересно всем.

Несмотря на все успехи формальной модели атома, она уже не удовлетворяла тому критерию логической простоты, которая производит впечатление очевидности (и которой так выгодно отличалась исходная модель Бора). Она стала слишком сложна, что вызывало недоверие к ней и некоторое чувство усталости, очень похожее на то, какое владело физиками до схемы Бора. К тому же все попытки распространить модель Бора на более сложные атомы кончались неудачей. Это приводило к тому, что физики стали подвергать сомнению все: справедливость закона Кулона, применимость электродинамики и механики в атомных системах и даже закон сохранения энергии. Все в общем понимали, что кризис этот возникает от формального соединения эмпирических данных с принципами теории квантов и остатками классических представлений, отказаться от которых пока было нельзя, поскольку взамен их не было предложено ничего определенного. Поэтому при изучении квантовых явлений исследователи продолжали пользоваться представлениями классической физики. Но у атомных объектов не было свойств, которые бы этим понятиям соответствовали, и потому природе задавали, в сущности, незаконные вопросы. Или — точнее — вопросы на языке, которого она не понимала. Тогда начались поиски общего принципа, из которого бы логически следовали и формальная модель атома, и другие особенности атомных объектов. «Пусть вначале этот единый принцип будет непонятным, но пусть он будет один» — таково было общее желание.

В ответ на это стремление в 1925 г. возникла квантовая механика — наука о движении электронов в атоме. Ее создало новое поколение физиков. По игре случая все они родились почти одновременно: Вернер Гейзенберг — в 1901 г., Поль Адриен Морис Дирак — в 1902 г., Вольфганг Паули — в 1900 г. Немного старше их были Луи де Бройль (1892 г.) и Эрвин Шрёдингер (1887 г.). Им выпало счастье записать образы и понятия атомной механики на языке формул.

ВОКРУГ КВАНТА Нильс Хенрик Дэвид Бор

Как и всякое истинно великое открытие, открытие Бора трудно сделать, но легко понять. Сила идей Бора в их простоте и доступности. В главной своей сути они понятны любому грамотному человеку. Бор дал образ, который позволял ориентироваться среди необычных понятий квантовой механики, образ, ставший символом нашего века. Если учесть к тому же, что при всей своей простоте образ этот верно отражает основные свойства атомов, то сразу станет ясна его исключительность.

3 марта 1972 г. космическая станция «Пионер-10» стартовала к Юпитеру. Кроме приборов, на ее борту находится пластинка, на которой выгравировано самое важное, что люди Земли решили сообщить другим цивилизациям: силуэты мужчины и женщины, место Земли в Солнечной системе и схема атома водорода.

Из ста физиков, взятых наугад, сегодня, пожалуй, только один или два читали знаменитые статьи Бора, напечатанные в 1913 г. Однако любой из них подробно объяснит идеи, которые в них изложены. Это означает, что сейчас идеи Бора уже не предмет науки, а необходимый элемент культуры — самое высшее, чего может достичь любая теория.