Прямоходящие мыслители. Путь человека от обитания на деревьях до постижения мироустройства

В случае с атомом Резерфорда физики, занятые изучением атома, оценили, что эта модель дает точные прогнозы устройства ядра, и постановили, что дальнейшие эксперименты проявят, каких ключевых фактов не достает, чтобы разобраться, как во всё это встроены электроны и почему атом стабилен. Неочевидно было другое: атому требовалось не просто объяснение похитрее – нужно было революционное объяснение. Бледный и скромный Нильс Бор, однако, смотрел на все иначе. Юному Бору атом Резерфорда и его противоречия виделись стогом сена, в котором притаилась золотая иголка. И он был исполнен решимости ее найти.

* * *

Бор задался вопросом: если атом не испускает волн энергии, как того требует классическая теория (по крайней мере, согласно модели Резерфорда), может ли так быть, что атом не подчиняется классическим законам? Следуя этому рассуждению, Бор обратился к работе Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте. Он задумался, что может получиться, если включить атом в представление о кванте. То есть а что если атом, как световые кванты Эйнштейна, может иметь энергию лишь определенного значения? Эта мысль привела его к пересмотру модели Резерфорда и созданию того, что впоследствии станет называться Боровской моделью атома.

Бор применил этот подход к простейшему атому – атому водорода, состоящему из одного электрона, обращающегося вокруг ядра, которое представляет собой одинокий протон. Трудность этого предприятия[365] можно проиллюстрировать фактом, что в те поры такое простое устройство атома водорода не было очевидным: из серии экспериментов, проведенных Томсоном, Бору пришлось сделать вывод, что у водорода всего один электрон.

Ньютонова физика дает расчетную оценку, что электрон может обращаться по орбите вокруг ядра (которое в случае водорода – просто протон) на любом расстоянии, если скорость и энергия его имеют подходящие значения, определяемые этим расстоянием. Чем меньше расстояние от электрона до протона, тем ниже должна быть энергия атома. Однако предположим, в духе Эйнштейна, что собираемся воспротивиться теории Ньютона, введя новый закон, повелевающий атому – по некой неведомой пока причине – иметь не какое попало значение энергии, а лишь взятое из дискретного набора возможностей. Поскольку радиус орбиты определяется энергией, это ограничение на допустимые значения энергии означает ограничение возможных значений радиусов орбит, по которым может перемещаться электрон. Сделав такое допущение, мы говорим, что энергия атома и радиусы электронных орбит квантуются.

Бор постановил: если свойства атома квантуются, электрон не может непрерывно съезжать по спирали к ядру и терять энергию, как велит классическая Ньютонова теория, – электрон может терять энергию только «порциями», переходя с одной разрешенной орбиты на другую. Боровская модель подразумевает, что электрон в атоме, возбуждающемся при поступлении энергии извне – например, от фотона, – переходит на одну из более удаленных от ядра и более энергетически насыщенных орбит. А всякий раз, когда происходит скачок на орбиту поближе к ядру, с энергией пониже, испускается квант света – фотон, а его частота соответствует разнице в энергиях между двумя орбитами.

Теперь предположим, что, опять-таки по доселе неведомой причине, есть самая близкая к ядру допустимая орбита – с самой низкой энергией, которую Бор назвал «основным уровнем». В этом случае, когда электрон достигает этого состояния, он более не может терять энергию и потому не падает на ядро, как предсказывала модель Резерфорда. Бор предположил, что похожая, но, быть может, более сложная схема применима и к другим химическим элементам, в чьих атомах много электронов: он считал квантование ключом к устойчивости Резерфордова атома, а следовательно – и всей материи во Вселенной.

Как работа Планка по излучению абсолютно черного тела, как объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта, так и соображения Бора не выводились из общей квантовой теории, а скорее были частными толкованиями одного определенного случая – например, устойчивости Резерфордова атома. Такова человеческая находчивость: невзирая на отсутствие «материнской» теории, модель Бора, как и модели Планка и Эйнштейна, по сути своей были верны.