Страница:
Но все равно на рукописи лежала печать гениальности: так гармонично и просто все получалось. А получалось, в общих чертах, так: …Само существование мира постоянно доказывает: атом - устойчивая система. Значит, электроны, вращаясь вокруг ядра, вопреки Максвеллу-Лоренцу не излу- чают непрерывно. Так, если этого не происходит и они, обессиленные, не падают на ядро, не проще ли всего предположить, что в атоме есть пути, на которых элекроны не растрачивают энергию: стационарные орбиты!
Только покидая такую орбиту, электрон начинает излучать.
Каждой орбите соответствует неизменный уровень энергии атома. Чем дальше от ядра, тем выше этот уровень.
Любая система тем устойчивей, чем меньше энергии в ней запасено. Атом всего устойчивей, когда электрон вращается по самой нижней стационарной орбите. И конечно, возбужденный притоком энергии извне, атом стремится вернуться в это основное состояние. Поднятый на далекую орбиту, электрон будет падать вниз - к ядру.
Но по дороге он сможет застрять, хотя бы временно, на любой из лежащих ниже стационарных орбит. Только повиснуть между орбитами он не сможет, ибо не обретет там никакой устойчивости. И ниже самой нижней разрешенной орбиты спуститься ему тоже не дано. Вращаться по ней он способен неограниченно долго, ибо в состоянии с минимальной энергией ничто не мешает атому жить бессрочно. И ясно, что в таком нормальном состоянии атом не излучает света.
Зато возбужденный атом, расставаясь с избытком энергии, сигнализирует об этом испусканием электромагнитных волн. И если бы в микромире оставались верными классические законы, атомные «спектры возбуждения», как называют их физики, были бы непрерывными, сплошными. Ведь электрон падал бы на ядро по сужающейся спирали, все убыстряя вращение и на всем пути излучая энергию.
А на деле атомные спектры прерывисты - они состоят из серий отдельных линий разного цвета. Бор объяснил, отчего это так.
Череда стационарных орбит, или разрешенных уровней энергии в атоме, - как лестница со ступеньками разной крутизны. В атоме водорода, по мере удаления от ядра, высота ступенек должна убывать согласно Бору как ряд чисел - 1, 4t, '/э, Vie-- '/к2… Чем ближе к ядру, тем круче ступеньки - тем больше разрыв между соседними дозволенными уровнями энергии. Когда возбужденный атом возвращается в нормальное состояние, падающий электрон перескакивает с орбиты на орбиту. Или последовательно - со ступеньки на ступеньку; или сразу через несколько ступенек; или одним прыжком прямо вниз - на минимальный уровень. И атом освобождается от своей избыточной энергии не в непрерывном процессе, а скачками!
Это было главное - самое неклассическое - утверждение Бора.
Скачки означали, что атом излучает свет целыми порциями - едиными и неделимыми, ибо задержаться где- то меж двух разрешенных энергетических уровней электрон не может. Схема Бора показала, как рождаются планковские кванты! Величина излученного кванта зависит от размашистости скачка, совершенного электроном.
Ясно, что это не одно и то же - упасть с 8-й орбиты на 7-ю или с 9-й на 1-ю. Разность уровней энергии тут разная - во втором случае гораздо большая, чем в первом. Вариантов возможных скачков много. И ровно столь-ко же различных квантов могут испускать возбужденные атомы. А каждый квант - это порция света одной длины волны, то есть одной, и только одной частоты. Потому-то в атомных спектрах наблюдаются не сплошные многоцветные полосы, а прерывистые серии резко выраженных линий. Многоцветный частокол спектральных линий - линейчатые спектры!
У разных атомов - разные ядра, разные количества электронов, разные лестницы разрешенных уровней энергии, разные наборы возможных квантовых скачков.
Бор расчислил орбиты в атоме с одним электроном.
Он смог теоретически предсказать то, что давно уже знали спектроскописты: последовательность частот в сериях спектральных линий водорода. В том году, когда Бор только появился на свет, в 1885-м, Иоганн Бальмер заметил, что в водородном спектре частоты убывают, как числа в уже знакомом нам ряду - 1, yt, 1/э, Vie-- '/к2…
А пятью годами позже другой спектроскопист, Иоганн Ридберг, эмпирически нашел постоянную величину, которую нужно умножать на комбинации этих чисел, чтобы получать сами частоты электромагнитных колебаний в линейчатых спектрах и водорода и других элементов. Происхождение этой «постоянной Ридберга» оставалось совершенно загадочным. А Бор сумел показать, что она служит как бы архитектурным модулем в построении лестницы уровней энергии атома. И математически выразил ее через другие универсальные постоянные - заряд электрона «е», массу электрона «т» и постоянную Планка «h». Это было красиво и убедительно, хотя формула выглядела немножко громоздко:
R = 2л2 • m • e4/h3.
Главное же - получилось отличное согласие теории с опытом.
Стало ясно: Бор нашел ключ к внутренней - неклассической - механике атома.
Так мог ли Резерфорд не прочесть ту рукопись залпом?!
«Я получил ответ немедленно, и был он столь характерен для Резерфорда по острой проницательности научных суждений и по человеческой благожелательности…» - много лет спустя вспоминал Бор.
Начинался этот ответ так:
Манчестер 20 марта 1913
<>
Это замечание поразило молодого Бора. Он помнил его, как мы увидим, и почти полвека спустя. Но в «крайне затруднительное положение» поставили его совсем другие строки из письма Резерфорда: …Я думаю, что в своем стремлении быть ясным вы уступаете тенденции делать статьи непомерно длинными и позволяете себе повторять одни и те же положения в разных частях работы. Полагаю, что ваша статья действительно должна быть сокращена, и думаю, что это может быть сделано без какого бы то ни было ущерба для ее ясности. Не знаю, принимаете ли вы во внимание тот факт, что длинные сочинения отпугивают читателей, чувствующих, что они не имеют времени в них углубляться*.
А через пару строк снова: …Мне будет очень приятно отправить вашу статью в Phil, mag., но это доставило бы мне больше удовольствия, если бы ее объем был значительно урезан. Во всяком случае, я внесу все необходимые коррективы с точки зрения английского языка.
И еще раз - в сеязи с обещанием Бора прислать следующие главы работы: …Послушайтесь моего совета и постарайтесь писать их со всею возможной краткостью, совместимой с ясностью.
И наконец, в пост-скриптуме - с уже неприкрытым, раздражением и откровенной властностью:
P. S. Полагаю, вы не станете возражать против того, чтобы я по своему усмотрению вырезал прочь из вашей статьи все те места, какие сочту необязательными? По- жалуйста, ответьте! * Автор хочет отметить в сноске, что он отлично сознает, как неосмотрительно с его стороны цитировать здесь это сердито-справедливое замечание Резерфорда.
Да, все-таки рука Резерфорда с годами стала десницей.
А слово «десница» соседствует в словаре со словом «деспот».
Конечно, деспотизм его был просвещенным. И умерялся вели- кодушием. И даже допускал дискуссионность. Иначе у него был бы штат, но не было бы школы. И вокруг клубились бы пособники, а не друзья. И все же это был деспотизм, порою доставлявший окружающим ненужные и тревожные заботы о самосохранении.
«Пожалуйста, ответьте!»
Легко представить себе час смятения в Копенгагене, в доме молодой четы Боров на Сент-Якобсгаде, 3. Под реальной угрозой оказалось быстрое опубликование в авторитетнейшем лондонском журнале такой многообещающей и долгими трудами давшейся работы: Бор считал обязательным каждый абзац в своей статье и не желал, чтобы ее подвергала вивисекции даже рука Резерфорда. Что же будет?.. А квантовые идеи уже настойчиво проникали в атомную физику - их уже пытались приложить к проблеме строения вещества Вальтер Нернст, Дж. Никольсон, II. Бьеррум, Артур Хааз… Квантовые возможности уже дискутировались на научных семинарах в разных местах. И как сказал полтора года назад в Брюсселе Лоренц, «вполне вероятно, что пока происходит коллегиальное обсуждение намеченной проблемы, какой-нибудь мыслитель в уединенном уголке мира уже дошел до ее решения». Вот он, Бор, дошел. И было бы невыразимо досадно так непредвиденно задержаться у финиша!.. А задержка теперь казалась неминуемой - и не только потому, что он не мог уступить требованиям Резерфорда, послав по телеграфу короткое: «Согласен любые сокращения». Дело психологически осложнилось: пока шло письмо из Манчестера, он, Бор, переполненный мыслями и жаждущий развивать успех в новых направлениях, отправил вдогонку своей первоначальной рукописи новый ее вариант - и отнюдь не урезанный, а расширенный! «Существенно расширенный», как рассказывал он позже. В свете властного резерфордовского пост-скриптума это выглядело ужасно. …Я почувствовал, что есть единственный способ поправить случившееся - немедленно поехать в Манчестер и обо всем переговорить с Резерфордом наедине.
Такова была предыстория его внезапного появления мартовским вечером 1913 года на Уилмслоу-роуд, 17.
Когда за спиною затворилась дверь кабинета и хозяин стремительно подвел его к письменному столу, Бор сразу узнал в распластанных бумагах оба варианта своей работы.
Он увидел отброшенные в сторону страницы, отчеркнутые абзацы, вымаранные фразы, исправленные поверху слова. Он не взбунтовался - он был к этому готов.
Да и вообще в печальном зрелище рукописи, к которой прикоснулась десница Резерфорда, не было для него ничего особенно нового. В прошлом году он не раз воочию наблюдал, как готовились в Манчестерской лаборатории статьи для печати. Видел экзекуции над английскими текстами поляка Казимира Фаянса, венгра Дьердя Хевеши, немца Ганса Гейгера… Видел испытания, выпадавшие на долю и англичан - Джемса Чадвика, Дж. М. Нэттолла, мисс Мэй Сибил Лесли и многих других. Видел, что этих испытаний не удавалось избежать даже сверхревностному Генри Гвину Джеффрису Мозли.
Больше того - он видел, как терзал Резерфорд самого себя, готовя к печати третье издание своей знаменитой «Радиоактивности», которая должна была выйти в обновленном виде под названием «Радиоактивные вещества и их излучения».
Кстати, именно в этой книге, редактируя себя, Резерфорд, кажется, впервые ввел в обращение термин «нуклеус» - «ядро» вместо многословного - «центральное заряженное тело в атоме».
Наконец, Бор сознавал, что требовательность Резерфорда к тексту научных работ бывала прямо пропорциональна значению, какое он им придавал. Это могло бы утешить датчанина, если бы он приехал за утешением. Но он приехал за другим.
Он решил устоять. Он собрал всю свою кроткую неуступчивость. Если Резерфорд коса, он будет камнем. Самолюбиво защищать свой миль он не собирался - он еще не знал, есть ли у него свой, боровский, стиль. Но подробностями существа дела он не пожертвует - ни ради краткости, ни ради облегчения участи читателей «Philosophical magazine». У кого нет времени углубляться в длинные статьи, пусть дождется реферата в «Nature».
Он решил устоять. Он собрал всю свою тихую неодолимую твердость. Он знал: всего труднее будет выдержать внутренний напор Резерфорда - его дружественный улыбчивый гнет, когда твоя воля сникает перед упрямой силой его подавляющей личности. Может быть, всего больше боялся он того, что позже сам назвал «очарованием резерфордовской порывистости».
Оказаться незаметно сдавшимся - вот в чем была опасность. …Ив и Мэри давно уже успели порассказать друг другу все новости, он - монреальские, она - манчестерские; Ив давно уже успел узнать все забавные детали прошлогоднего путешествия Резерфордов по Франции, когда они, пригласив с собою Брэггов, проехали на своем «уолслее-сиддлее» весь путь от Ла-Манша до Пиренеев; Мэри давно успела во всех подробностях описать канадцу прошлогодние торжества по случаю 250-летия Королевского общества, когда Эрнст, чтобы выглядеть, как все, на королевском приеме в Виндзорском замке, вынужден был купить себе цилиндр и непритворно страдал от «этого чудовища», а потом, во время «гарден-парти», в многотысячной толпе ученых гостей короля излишне громко негодовал на бессмысленную усталость и говорил, что ему было бы всего приятней, если бы впредь он уже никогда не удостаивался подобной чести; словом, Ив и Мэри давно успели попечалиться и посмеяться над множеством пустячных историй, какими переполнена жизнь, а Резерфорд и молодой датчанин продолжали сидеть взаперти за дверями кабинета.
Было очевидно - там шел спор. Правда, со стороны это выглядело странновато: иногда оттуда доносился долгий рык, ему отвечало молчание - казалось, Резерфорд спорит с тишиной. В общем так оно и было. (Несколькими годами позже Абрам Федорович Иоффе писал жене в Петроград о дискуссиях с Бором в Геттингене:
«Бор удивительно глубокий и светлый ум, несколько замкнутый и до невероятия застенчивый и осторожный в суждениях…») Тот поединок в Манчестере продолжался не вечер и не два… И порывистость не одолела застенчивости, рычание - тишины. То, чего боялся младший, случилось со старшим: незаметно сдавшимся оказался Резерфорд. Пожалуй, впервые в жизни! Тут вмешалось в схватку кое-что просто человеческое.
Коса не сразу нашла на камень. С бесчисленными повторами из-за утомительного обговаривания длиннейших ссылок на предшествующие работы самого Резерфорда, Томсона, Планка, Эйнштейна, Хааза, Никольсона, Пашена, Пиккеринга, Фаулера, Ритца, Вуда, снова Резерфорда и снова Томсона, словом - с литературными неловкостями в стиле немецкой добросовестно-показной учености покончили без кровопролития. Бор лишь вздыхал - то сокрушенно, то восхищенно, видя, как прекрасно выстраивается текст, когда все обременяющее уходит в краткие сноски. Этой прополке он не противился и унес о ней благодарное воспоминание. Но Резерфорд требовал удалить из рукописи и все оригинальное -боровское, если оно осложняло главную тему - квантовое истолкование устойчивости планетарного атома. А Бору все осложняющее было дорого не меньше, чем главное. Все! И среди прочего - размышления о предельном переходе квантовых закономерностей в классические: то, что стало потом его «принципом соответствия»… Все, казавшееся Резерфорду для этой основополагающей статьи второстепенным, Бору виделось в ином свете: оно уводило не в сторону, а в будущее атомной механики.
Он чувствовал за собою право намечать любые маршруты по необжитой земле. И хотел защитить это пионерское право!
Слишком хорошо и давно знакомы были Резерфорду такие притязания гения и побуждения молодости, чтобы он мог не понять их. И он все понял. Но тогда какими же глазами должен был взглянуть он на свою роль в этом споре? Деспотическая требовательность переставала выражать только его литературную взыскательность. Чем черт не шутит, уж не вползает ли он, сорокадвухлетний, в пору извечного-рутинного отцовства, которое не желает, чтобы дети заходили дальше предписанного?! И в трудную минуту спора, когда ему нечего было возразить на очередной тишайше нескончаемый довод датчанина, он нанес самому себе чувствительный удар: «А не начало ли это старости, by thunder?!» И потекли обезоруживающие мысли. Не о статье - о жизни. И, прервав Бора, он вдруг сказал (без рычания):
- Ладно, старина, пусть будет по-вашему - сохраните это место…
И во второй вечер чаще, чем в первый, и в третий - чаще, чем во второй, произносил он это смиренное и так на него не похожее - «ладно, мой мальчик, пусть будет по-вашему…». И эта победа над собой, облеченным авторитетом и властью, была ему сладостна, как возвращение в молодость. Она была" как добровольный отказ от сомнительных привилегий старшинства, прославленности, генеральства. Редчайший отказ! Он сразу облегчал приобщение к молодому поколению, уже идущему следом.
Следом? Нет, Резерфордпочувствовал: ужеидущему в обгон!
В те мартовские вечера и вправду происходила его первая серьезная встреча со следующим великим поколением физиков - чистых теоретиков квантовой эры. Перед ним сидел их будущий лидер, нашедший в его планетарном атоме точку опоры для того, чтобы со временем перевернуть весь мир обжитых представлений о ходе вещей в природе. Еще никто не догадывался, что так далеко зайдет дело и подвергнутся пересмотру даже фундаментальные и, как думалось веками, неприкосновенные основы физического познания. Среди них классическая причинность явлений. Сам датчанин еще не догадывался об этом. В его тогдашней теории электрон на стационарных орбитах двигался вполне классически, а квантовым подданным становился только при перескоках по лестнице разрешенных состояний атома. Как смешно сказал чуть позднее Брэгг, Бор предложил физикам пользоваться по понедельникам, средам и пятницам классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам - квантовыми. Никто еще не знал, произойдет ли переход на полную квантовую неделю. И никто не смог бы предсказать, что этот переход займет полтора десятилетия.
Начинающий лидер, внешне так мало похожий на законоучителя и вождя, сидел тогда в кабинете Резерфорда, защищая и представительствуя только самого себя. А поколение, которому история предназначила под его бессменным водительством совершить громадные дела, еще играло в детские игры под небесами Англии, Германии, Италии, России, Швейцарии…
И ничего не ведало о «гадких квантах» (как говаривал Эйнштейн). Забавно подумать, что Вольфгангу Паули минуло тогда всего тринадцать, а Энрико Ферми и Вернеру Гейзенбергу не было и двенадцати. Эугену Вигнеру - одиннадцати, Полю Дираку исполнилось десять, а Лев Ландау только что отпраздновал свое пятилетие… И хотя уже готовы были выйти на сцену старшие - тридцатилетний Макс Борн, двадцатипятилетний Эрвин Шредингер, девятнадцатилетний Луи де Бройль, - датчанин еще ничего не знал о них, как и о всех других будущих участниках начинавшейся драмы. Поколению предстояло быть многоязычным, пестрым по возрасту и прошлым заслугам… Ему предстояло еще сформироваться. Однако знамя именно этого поколения, покуда что нерасшитое, неразвернутое и даже к древку не притороченное знамя, уже привез с собою в Манчестер Нильс Бор.
И Резерфорд с нестареющим своим чутьем тотчас почуял тот ветерок из будущего, под которым заплещется это знамя.
Можно бы в шутку сказать, что ветерком из будущего тянуло с лестницы квантованных уровней энергии в атоме. Ветерок из будущего подстегивал электроны, уже наполовину презревшие классические правила поведения и непонятно скачущие с орбиты на орбиту. И что самое удивительное - без всяких видимых причин выбирающие для скачка тот или иной из возможных вариантов. Тот или иной! Тут уже предчувствовался конфликт с классической однозначной причинностью, не допускающей подобных вольностей.
В самом деле, Резерфорд недаром еще до внезапного приезда Бора написал ему, что в гипотезе квантовых скачков электронов есть серьезный камень преткновения: «…как решает электрон, с какой частотой должен он колебаться, когда происходит его переход из одного стационарного состояния в другое?» Ведь и вправду получалось, что электрон вынужден заранее это решать.
В классической теории такой странной проблемы не возникало: электрон излучал, непрерывно колеблясь или вращаясь, и частота излученного им света прямо указывала на частоту его колебаний или вращения. А теперь все зависело от величины скачка электрона - от глубины его безостановочного падения в атоме: случится большой скачок - произойдет большая потеря энергии - большим будет излученный квант - высокой частота испущенного света. А малым окажется скачок - малым будет квант - малой частота. Но откуда знает электрон, сорвавшийся с устойчивой орбиты, где он остановится, на какую нижележащую орбиту сядет? А логика требовала, чтобы он обязательно знал это заранее, ибо уже на старте все определял финиш. Тут сказывалась принципиальная особенность квантов, как простых порций световой энергии: каждый квант - частица света одного цвета. Квант монохроматичен и элементарен по определению: у него нет «внутреннего устройства» - в нем не могут быть намешаны электромагнитные колебания разных частот. И потому уже в момент начала скачка электрон обязан «сделать выбор» - какой квант испускать, иначе говоря - с какой частотой колебаться.
Это выглядело мистически. И неспроста с течением лет пошла гулять по миру философическая молва, будто новая - квантовая - физика признает «свободу воли» электрона. Резерфорд в своем письме словно предугадал эту будущую неприятность.
Естественно, они и об этом говорили в том нескончаемом споре на исходе марта 13-го года, хотя тут уж речь шла не о тексте, а о подтексте воровской статьи. Но споры о подтексте обычно и бывают самыми многозначительными. И всего дольше не забываются. Когда почти через пятьдесят лет - весной 1961 года в Москве - в тесном кругу физиков-теоретиков Бор вспоминал прошлое и кто-то спросил его: «Как отнесся к вашей теории Резерфорд?», последовал немедленный, совершенно боровский по стеснительной улыбчивости ответ: «Резерфорд не сказал, что это глупо, но…» И Бор почти дословно повторил замечание из старого резерфордовского письма: «…но он никак не мог понять, каким образом электрон, начиная прыжок с одной орбиты на другую, знает, какой квант нужно ему испускать». И, припомнив схватку в Манчестере, добавил:
«Я ему говорил, что это как branching ratio при радиоактивном распаде, но это его не убедило».
Профессор Е. Л. Фейнберг, записавший беседу с Бором, не перевел русским термином это выражение, означающее:
«отношение ветвления». Суть же в том, что есть случаи, когда один и тот же радиоактивный элемент распадается двояким способом: доля его атомов испускает бета-лучи - электроны, а другая доля - альфа-частицы - ядра гелия. Ясно, что в результате таких распадов элемент претерпевает совершенно разные превращения. Так, из каждых десяти тысяч атомов радия-С в среднем три атома переживают альфа-распад и пре- вращаются в теллур-210, а 9997 атомов становятся жертвами бета-распада и превращаются в полоний-214… Громадна разница - 3 и 9997. Но в других случаях отношение ветвления, напротив, оказывается близким к единице. Однако дело тут не в числах, а в принципиальной странности происходящего: атому предлагаются на выбор два пути распада - две возможные судьбы. И свое будущее он выбирает сам, ибо, как известно, от внешних физических условий течение радиоактивных превращений не зависит. И всякий раз атом как бы «заранее решает», что испустить - альфа-частицу или электрон?
Сходство с квантовыми скачками было тут действительно полным. Однако разве это выручало мысль из беды? Необъяснимое разъяснялось необъясненным! И конечно, такая ссылка на двойной распад ни в чем не могла убедить Резерфорда.
На что же рассчитывал молодой Бор, приводя в споре столь бесполезный аргумент?
А других у него не было, да и быть еще не могло. Когда в природе открывается нечто принципиально новое, не вытекающее из прежних представлений о естественном ходе вещей, оно, это новое, логически незащитимо. Его единственный оплот - физические факты, существующие вопреки своей абсурдности. Новые идеи узаконивают абсурд. И на абсурдных примерах держатся. Для самого Бора ссылка на двойной распад только это и означала: вот еще один пример тех же странностей! А в споре с Резерфордом этот пример был особенно хорош: крупнейшему знатоку радиоактивности двойной распад наверняка должен был представляться чем-то естественным и законным, потому что он с ним свыкся. Можно было ожидать, что тогда и «свобода выбора» квантовых скачков не покажется Резерфорду антифизическим вымыслом. Аргумент Бора должен был сыграть миротворческую роль.
Но Резерфорд вовсе и не собирался враждовать со странностями теории Бора: если бы он не испытывал к ней доверия, он не постеснялся бы сказать об этом датчанину напрямик.
В том же 1913 году Эйнштейн сказал по поводу воровских идей: «…если это правильно, это означает конец физики как науки». Резерфорд так не думал. Он хотел лишь ясности и убедительности. Его замечание прозвучало ' не как возражение, а как недоумение. Позднее Бор писал в своих воспоминаниях, что это недоумение было «очень дальновидным, ибо коснулось той проблемы, которой предстояло стать центральным пунктом последующих продолжительных дискуссий». Продолжительных!
Это сказано было слишком скромно. И сегодня, через полвека с лишним, длятся те же дискуссии. Еще и сегодня раздаются голоса, всерьез повторяющие шутливый довод Эйнштейна против вероятностного истолкования законов микромира: «Я не могу поверить, будто господь бог играет в кости!» Еще и сегодня…
Словом, и сегодня еще длится спор, начавшийся мартовскими вечерами 13-го года в манчестерском доме Резерфорда.
Только покидая такую орбиту, электрон начинает излучать.
Каждой орбите соответствует неизменный уровень энергии атома. Чем дальше от ядра, тем выше этот уровень.
Любая система тем устойчивей, чем меньше энергии в ней запасено. Атом всего устойчивей, когда электрон вращается по самой нижней стационарной орбите. И конечно, возбужденный притоком энергии извне, атом стремится вернуться в это основное состояние. Поднятый на далекую орбиту, электрон будет падать вниз - к ядру.
Но по дороге он сможет застрять, хотя бы временно, на любой из лежащих ниже стационарных орбит. Только повиснуть между орбитами он не сможет, ибо не обретет там никакой устойчивости. И ниже самой нижней разрешенной орбиты спуститься ему тоже не дано. Вращаться по ней он способен неограниченно долго, ибо в состоянии с минимальной энергией ничто не мешает атому жить бессрочно. И ясно, что в таком нормальном состоянии атом не излучает света.
Зато возбужденный атом, расставаясь с избытком энергии, сигнализирует об этом испусканием электромагнитных волн. И если бы в микромире оставались верными классические законы, атомные «спектры возбуждения», как называют их физики, были бы непрерывными, сплошными. Ведь электрон падал бы на ядро по сужающейся спирали, все убыстряя вращение и на всем пути излучая энергию.
А на деле атомные спектры прерывисты - они состоят из серий отдельных линий разного цвета. Бор объяснил, отчего это так.
Череда стационарных орбит, или разрешенных уровней энергии в атоме, - как лестница со ступеньками разной крутизны. В атоме водорода, по мере удаления от ядра, высота ступенек должна убывать согласно Бору как ряд чисел - 1, 4t, '/э, Vie-- '/к2… Чем ближе к ядру, тем круче ступеньки - тем больше разрыв между соседними дозволенными уровнями энергии. Когда возбужденный атом возвращается в нормальное состояние, падающий электрон перескакивает с орбиты на орбиту. Или последовательно - со ступеньки на ступеньку; или сразу через несколько ступенек; или одним прыжком прямо вниз - на минимальный уровень. И атом освобождается от своей избыточной энергии не в непрерывном процессе, а скачками!
Это было главное - самое неклассическое - утверждение Бора.
Скачки означали, что атом излучает свет целыми порциями - едиными и неделимыми, ибо задержаться где- то меж двух разрешенных энергетических уровней электрон не может. Схема Бора показала, как рождаются планковские кванты! Величина излученного кванта зависит от размашистости скачка, совершенного электроном.
Ясно, что это не одно и то же - упасть с 8-й орбиты на 7-ю или с 9-й на 1-ю. Разность уровней энергии тут разная - во втором случае гораздо большая, чем в первом. Вариантов возможных скачков много. И ровно столь-ко же различных квантов могут испускать возбужденные атомы. А каждый квант - это порция света одной длины волны, то есть одной, и только одной частоты. Потому-то в атомных спектрах наблюдаются не сплошные многоцветные полосы, а прерывистые серии резко выраженных линий. Многоцветный частокол спектральных линий - линейчатые спектры!
У разных атомов - разные ядра, разные количества электронов, разные лестницы разрешенных уровней энергии, разные наборы возможных квантовых скачков.
Бор расчислил орбиты в атоме с одним электроном.
Он смог теоретически предсказать то, что давно уже знали спектроскописты: последовательность частот в сериях спектральных линий водорода. В том году, когда Бор только появился на свет, в 1885-м, Иоганн Бальмер заметил, что в водородном спектре частоты убывают, как числа в уже знакомом нам ряду - 1, yt, 1/э, Vie-- '/к2…
А пятью годами позже другой спектроскопист, Иоганн Ридберг, эмпирически нашел постоянную величину, которую нужно умножать на комбинации этих чисел, чтобы получать сами частоты электромагнитных колебаний в линейчатых спектрах и водорода и других элементов. Происхождение этой «постоянной Ридберга» оставалось совершенно загадочным. А Бор сумел показать, что она служит как бы архитектурным модулем в построении лестницы уровней энергии атома. И математически выразил ее через другие универсальные постоянные - заряд электрона «е», массу электрона «т» и постоянную Планка «h». Это было красиво и убедительно, хотя формула выглядела немножко громоздко:
R = 2л2 • m • e4/h3.
Главное же - получилось отличное согласие теории с опытом.
Стало ясно: Бор нашел ключ к внутренней - неклассической - механике атома.
Так мог ли Резерфорд не прочесть ту рукопись залпом?!
«Я получил ответ немедленно, и был он столь характерен для Резерфорда по острой проницательности научных суждений и по человеческой благожелательности…» - много лет спустя вспоминал Бор.
Начинался этот ответ так:
Манчестер 20 марта 1913
<>
Дорогой д-р Бор! …Я прочел вашу работу с великим интересом, но мне хочется бережно просмотреть ее снова, когда у меня будет больше досуга. Ваши взгляды на механизм рождения водородного спектра очень остроумны и представляются отлично разработанными. Однако сочетание идей Планка со старой механикой делает весьма затруднительным физическое понимание того, что же лежит в основе такого механизма. Мне сдается, что есть серьезный камень преткновения в вашей гипотезе, и я не сомневаюсь, что вы полностью сознаете это, а именно: как решает электрон, с какой частотой должен он колебаться, когда происходит его переход из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, вы будете вынуждены предположить, что электрон заранее знает, где он собирается остановиться…
Это замечание поразило молодого Бора. Он помнил его, как мы увидим, и почти полвека спустя. Но в «крайне затруднительное положение» поставили его совсем другие строки из письма Резерфорда: …Я думаю, что в своем стремлении быть ясным вы уступаете тенденции делать статьи непомерно длинными и позволяете себе повторять одни и те же положения в разных частях работы. Полагаю, что ваша статья действительно должна быть сокращена, и думаю, что это может быть сделано без какого бы то ни было ущерба для ее ясности. Не знаю, принимаете ли вы во внимание тот факт, что длинные сочинения отпугивают читателей, чувствующих, что они не имеют времени в них углубляться*.
А через пару строк снова: …Мне будет очень приятно отправить вашу статью в Phil, mag., но это доставило бы мне больше удовольствия, если бы ее объем был значительно урезан. Во всяком случае, я внесу все необходимые коррективы с точки зрения английского языка.
И еще раз - в сеязи с обещанием Бора прислать следующие главы работы: …Послушайтесь моего совета и постарайтесь писать их со всею возможной краткостью, совместимой с ясностью.
И наконец, в пост-скриптуме - с уже неприкрытым, раздражением и откровенной властностью:
P. S. Полагаю, вы не станете возражать против того, чтобы я по своему усмотрению вырезал прочь из вашей статьи все те места, какие сочту необязательными? По- жалуйста, ответьте! * Автор хочет отметить в сноске, что он отлично сознает, как неосмотрительно с его стороны цитировать здесь это сердито-справедливое замечание Резерфорда.
Да, все-таки рука Резерфорда с годами стала десницей.
А слово «десница» соседствует в словаре со словом «деспот».
Конечно, деспотизм его был просвещенным. И умерялся вели- кодушием. И даже допускал дискуссионность. Иначе у него был бы штат, но не было бы школы. И вокруг клубились бы пособники, а не друзья. И все же это был деспотизм, порою доставлявший окружающим ненужные и тревожные заботы о самосохранении.
«Пожалуйста, ответьте!»
Легко представить себе час смятения в Копенгагене, в доме молодой четы Боров на Сент-Якобсгаде, 3. Под реальной угрозой оказалось быстрое опубликование в авторитетнейшем лондонском журнале такой многообещающей и долгими трудами давшейся работы: Бор считал обязательным каждый абзац в своей статье и не желал, чтобы ее подвергала вивисекции даже рука Резерфорда. Что же будет?.. А квантовые идеи уже настойчиво проникали в атомную физику - их уже пытались приложить к проблеме строения вещества Вальтер Нернст, Дж. Никольсон, II. Бьеррум, Артур Хааз… Квантовые возможности уже дискутировались на научных семинарах в разных местах. И как сказал полтора года назад в Брюсселе Лоренц, «вполне вероятно, что пока происходит коллегиальное обсуждение намеченной проблемы, какой-нибудь мыслитель в уединенном уголке мира уже дошел до ее решения». Вот он, Бор, дошел. И было бы невыразимо досадно так непредвиденно задержаться у финиша!.. А задержка теперь казалась неминуемой - и не только потому, что он не мог уступить требованиям Резерфорда, послав по телеграфу короткое: «Согласен любые сокращения». Дело психологически осложнилось: пока шло письмо из Манчестера, он, Бор, переполненный мыслями и жаждущий развивать успех в новых направлениях, отправил вдогонку своей первоначальной рукописи новый ее вариант - и отнюдь не урезанный, а расширенный! «Существенно расширенный», как рассказывал он позже. В свете властного резерфордовского пост-скриптума это выглядело ужасно. …Я почувствовал, что есть единственный способ поправить случившееся - немедленно поехать в Манчестер и обо всем переговорить с Резерфордом наедине.
Такова была предыстория его внезапного появления мартовским вечером 1913 года на Уилмслоу-роуд, 17.
Когда за спиною затворилась дверь кабинета и хозяин стремительно подвел его к письменному столу, Бор сразу узнал в распластанных бумагах оба варианта своей работы.
Он увидел отброшенные в сторону страницы, отчеркнутые абзацы, вымаранные фразы, исправленные поверху слова. Он не взбунтовался - он был к этому готов.
Да и вообще в печальном зрелище рукописи, к которой прикоснулась десница Резерфорда, не было для него ничего особенно нового. В прошлом году он не раз воочию наблюдал, как готовились в Манчестерской лаборатории статьи для печати. Видел экзекуции над английскими текстами поляка Казимира Фаянса, венгра Дьердя Хевеши, немца Ганса Гейгера… Видел испытания, выпадавшие на долю и англичан - Джемса Чадвика, Дж. М. Нэттолла, мисс Мэй Сибил Лесли и многих других. Видел, что этих испытаний не удавалось избежать даже сверхревностному Генри Гвину Джеффрису Мозли.
Больше того - он видел, как терзал Резерфорд самого себя, готовя к печати третье издание своей знаменитой «Радиоактивности», которая должна была выйти в обновленном виде под названием «Радиоактивные вещества и их излучения».
Кстати, именно в этой книге, редактируя себя, Резерфорд, кажется, впервые ввел в обращение термин «нуклеус» - «ядро» вместо многословного - «центральное заряженное тело в атоме».
Наконец, Бор сознавал, что требовательность Резерфорда к тексту научных работ бывала прямо пропорциональна значению, какое он им придавал. Это могло бы утешить датчанина, если бы он приехал за утешением. Но он приехал за другим.
Он решил устоять. Он собрал всю свою кроткую неуступчивость. Если Резерфорд коса, он будет камнем. Самолюбиво защищать свой миль он не собирался - он еще не знал, есть ли у него свой, боровский, стиль. Но подробностями существа дела он не пожертвует - ни ради краткости, ни ради облегчения участи читателей «Philosophical magazine». У кого нет времени углубляться в длинные статьи, пусть дождется реферата в «Nature».
Он решил устоять. Он собрал всю свою тихую неодолимую твердость. Он знал: всего труднее будет выдержать внутренний напор Резерфорда - его дружественный улыбчивый гнет, когда твоя воля сникает перед упрямой силой его подавляющей личности. Может быть, всего больше боялся он того, что позже сам назвал «очарованием резерфордовской порывистости».
Оказаться незаметно сдавшимся - вот в чем была опасность. …Ив и Мэри давно уже успели порассказать друг другу все новости, он - монреальские, она - манчестерские; Ив давно уже успел узнать все забавные детали прошлогоднего путешествия Резерфордов по Франции, когда они, пригласив с собою Брэггов, проехали на своем «уолслее-сиддлее» весь путь от Ла-Манша до Пиренеев; Мэри давно успела во всех подробностях описать канадцу прошлогодние торжества по случаю 250-летия Королевского общества, когда Эрнст, чтобы выглядеть, как все, на королевском приеме в Виндзорском замке, вынужден был купить себе цилиндр и непритворно страдал от «этого чудовища», а потом, во время «гарден-парти», в многотысячной толпе ученых гостей короля излишне громко негодовал на бессмысленную усталость и говорил, что ему было бы всего приятней, если бы впредь он уже никогда не удостаивался подобной чести; словом, Ив и Мэри давно успели попечалиться и посмеяться над множеством пустячных историй, какими переполнена жизнь, а Резерфорд и молодой датчанин продолжали сидеть взаперти за дверями кабинета.
Было очевидно - там шел спор. Правда, со стороны это выглядело странновато: иногда оттуда доносился долгий рык, ему отвечало молчание - казалось, Резерфорд спорит с тишиной. В общем так оно и было. (Несколькими годами позже Абрам Федорович Иоффе писал жене в Петроград о дискуссиях с Бором в Геттингене:
«Бор удивительно глубокий и светлый ум, несколько замкнутый и до невероятия застенчивый и осторожный в суждениях…») Тот поединок в Манчестере продолжался не вечер и не два… И порывистость не одолела застенчивости, рычание - тишины. То, чего боялся младший, случилось со старшим: незаметно сдавшимся оказался Резерфорд. Пожалуй, впервые в жизни! Тут вмешалось в схватку кое-что просто человеческое.
Коса не сразу нашла на камень. С бесчисленными повторами из-за утомительного обговаривания длиннейших ссылок на предшествующие работы самого Резерфорда, Томсона, Планка, Эйнштейна, Хааза, Никольсона, Пашена, Пиккеринга, Фаулера, Ритца, Вуда, снова Резерфорда и снова Томсона, словом - с литературными неловкостями в стиле немецкой добросовестно-показной учености покончили без кровопролития. Бор лишь вздыхал - то сокрушенно, то восхищенно, видя, как прекрасно выстраивается текст, когда все обременяющее уходит в краткие сноски. Этой прополке он не противился и унес о ней благодарное воспоминание. Но Резерфорд требовал удалить из рукописи и все оригинальное -боровское, если оно осложняло главную тему - квантовое истолкование устойчивости планетарного атома. А Бору все осложняющее было дорого не меньше, чем главное. Все! И среди прочего - размышления о предельном переходе квантовых закономерностей в классические: то, что стало потом его «принципом соответствия»… Все, казавшееся Резерфорду для этой основополагающей статьи второстепенным, Бору виделось в ином свете: оно уводило не в сторону, а в будущее атомной механики.
Он чувствовал за собою право намечать любые маршруты по необжитой земле. И хотел защитить это пионерское право!
Слишком хорошо и давно знакомы были Резерфорду такие притязания гения и побуждения молодости, чтобы он мог не понять их. И он все понял. Но тогда какими же глазами должен был взглянуть он на свою роль в этом споре? Деспотическая требовательность переставала выражать только его литературную взыскательность. Чем черт не шутит, уж не вползает ли он, сорокадвухлетний, в пору извечного-рутинного отцовства, которое не желает, чтобы дети заходили дальше предписанного?! И в трудную минуту спора, когда ему нечего было возразить на очередной тишайше нескончаемый довод датчанина, он нанес самому себе чувствительный удар: «А не начало ли это старости, by thunder?!» И потекли обезоруживающие мысли. Не о статье - о жизни. И, прервав Бора, он вдруг сказал (без рычания):
- Ладно, старина, пусть будет по-вашему - сохраните это место…
И во второй вечер чаще, чем в первый, и в третий - чаще, чем во второй, произносил он это смиренное и так на него не похожее - «ладно, мой мальчик, пусть будет по-вашему…». И эта победа над собой, облеченным авторитетом и властью, была ему сладостна, как возвращение в молодость. Она была" как добровольный отказ от сомнительных привилегий старшинства, прославленности, генеральства. Редчайший отказ! Он сразу облегчал приобщение к молодому поколению, уже идущему следом.
Следом? Нет, Резерфордпочувствовал: ужеидущему в обгон!
В те мартовские вечера и вправду происходила его первая серьезная встреча со следующим великим поколением физиков - чистых теоретиков квантовой эры. Перед ним сидел их будущий лидер, нашедший в его планетарном атоме точку опоры для того, чтобы со временем перевернуть весь мир обжитых представлений о ходе вещей в природе. Еще никто не догадывался, что так далеко зайдет дело и подвергнутся пересмотру даже фундаментальные и, как думалось веками, неприкосновенные основы физического познания. Среди них классическая причинность явлений. Сам датчанин еще не догадывался об этом. В его тогдашней теории электрон на стационарных орбитах двигался вполне классически, а квантовым подданным становился только при перескоках по лестнице разрешенных состояний атома. Как смешно сказал чуть позднее Брэгг, Бор предложил физикам пользоваться по понедельникам, средам и пятницам классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам - квантовыми. Никто еще не знал, произойдет ли переход на полную квантовую неделю. И никто не смог бы предсказать, что этот переход займет полтора десятилетия.
Начинающий лидер, внешне так мало похожий на законоучителя и вождя, сидел тогда в кабинете Резерфорда, защищая и представительствуя только самого себя. А поколение, которому история предназначила под его бессменным водительством совершить громадные дела, еще играло в детские игры под небесами Англии, Германии, Италии, России, Швейцарии…
И ничего не ведало о «гадких квантах» (как говаривал Эйнштейн). Забавно подумать, что Вольфгангу Паули минуло тогда всего тринадцать, а Энрико Ферми и Вернеру Гейзенбергу не было и двенадцати. Эугену Вигнеру - одиннадцати, Полю Дираку исполнилось десять, а Лев Ландау только что отпраздновал свое пятилетие… И хотя уже готовы были выйти на сцену старшие - тридцатилетний Макс Борн, двадцатипятилетний Эрвин Шредингер, девятнадцатилетний Луи де Бройль, - датчанин еще ничего не знал о них, как и о всех других будущих участниках начинавшейся драмы. Поколению предстояло быть многоязычным, пестрым по возрасту и прошлым заслугам… Ему предстояло еще сформироваться. Однако знамя именно этого поколения, покуда что нерасшитое, неразвернутое и даже к древку не притороченное знамя, уже привез с собою в Манчестер Нильс Бор.
И Резерфорд с нестареющим своим чутьем тотчас почуял тот ветерок из будущего, под которым заплещется это знамя.
Можно бы в шутку сказать, что ветерком из будущего тянуло с лестницы квантованных уровней энергии в атоме. Ветерок из будущего подстегивал электроны, уже наполовину презревшие классические правила поведения и непонятно скачущие с орбиты на орбиту. И что самое удивительное - без всяких видимых причин выбирающие для скачка тот или иной из возможных вариантов. Тот или иной! Тут уже предчувствовался конфликт с классической однозначной причинностью, не допускающей подобных вольностей.
В самом деле, Резерфорд недаром еще до внезапного приезда Бора написал ему, что в гипотезе квантовых скачков электронов есть серьезный камень преткновения: «…как решает электрон, с какой частотой должен он колебаться, когда происходит его переход из одного стационарного состояния в другое?» Ведь и вправду получалось, что электрон вынужден заранее это решать.
В классической теории такой странной проблемы не возникало: электрон излучал, непрерывно колеблясь или вращаясь, и частота излученного им света прямо указывала на частоту его колебаний или вращения. А теперь все зависело от величины скачка электрона - от глубины его безостановочного падения в атоме: случится большой скачок - произойдет большая потеря энергии - большим будет излученный квант - высокой частота испущенного света. А малым окажется скачок - малым будет квант - малой частота. Но откуда знает электрон, сорвавшийся с устойчивой орбиты, где он остановится, на какую нижележащую орбиту сядет? А логика требовала, чтобы он обязательно знал это заранее, ибо уже на старте все определял финиш. Тут сказывалась принципиальная особенность квантов, как простых порций световой энергии: каждый квант - частица света одного цвета. Квант монохроматичен и элементарен по определению: у него нет «внутреннего устройства» - в нем не могут быть намешаны электромагнитные колебания разных частот. И потому уже в момент начала скачка электрон обязан «сделать выбор» - какой квант испускать, иначе говоря - с какой частотой колебаться.
Это выглядело мистически. И неспроста с течением лет пошла гулять по миру философическая молва, будто новая - квантовая - физика признает «свободу воли» электрона. Резерфорд в своем письме словно предугадал эту будущую неприятность.
Естественно, они и об этом говорили в том нескончаемом споре на исходе марта 13-го года, хотя тут уж речь шла не о тексте, а о подтексте воровской статьи. Но споры о подтексте обычно и бывают самыми многозначительными. И всего дольше не забываются. Когда почти через пятьдесят лет - весной 1961 года в Москве - в тесном кругу физиков-теоретиков Бор вспоминал прошлое и кто-то спросил его: «Как отнесся к вашей теории Резерфорд?», последовал немедленный, совершенно боровский по стеснительной улыбчивости ответ: «Резерфорд не сказал, что это глупо, но…» И Бор почти дословно повторил замечание из старого резерфордовского письма: «…но он никак не мог понять, каким образом электрон, начиная прыжок с одной орбиты на другую, знает, какой квант нужно ему испускать». И, припомнив схватку в Манчестере, добавил:
«Я ему говорил, что это как branching ratio при радиоактивном распаде, но это его не убедило».
Профессор Е. Л. Фейнберг, записавший беседу с Бором, не перевел русским термином это выражение, означающее:
«отношение ветвления». Суть же в том, что есть случаи, когда один и тот же радиоактивный элемент распадается двояким способом: доля его атомов испускает бета-лучи - электроны, а другая доля - альфа-частицы - ядра гелия. Ясно, что в результате таких распадов элемент претерпевает совершенно разные превращения. Так, из каждых десяти тысяч атомов радия-С в среднем три атома переживают альфа-распад и пре- вращаются в теллур-210, а 9997 атомов становятся жертвами бета-распада и превращаются в полоний-214… Громадна разница - 3 и 9997. Но в других случаях отношение ветвления, напротив, оказывается близким к единице. Однако дело тут не в числах, а в принципиальной странности происходящего: атому предлагаются на выбор два пути распада - две возможные судьбы. И свое будущее он выбирает сам, ибо, как известно, от внешних физических условий течение радиоактивных превращений не зависит. И всякий раз атом как бы «заранее решает», что испустить - альфа-частицу или электрон?
Сходство с квантовыми скачками было тут действительно полным. Однако разве это выручало мысль из беды? Необъяснимое разъяснялось необъясненным! И конечно, такая ссылка на двойной распад ни в чем не могла убедить Резерфорда.
На что же рассчитывал молодой Бор, приводя в споре столь бесполезный аргумент?
А других у него не было, да и быть еще не могло. Когда в природе открывается нечто принципиально новое, не вытекающее из прежних представлений о естественном ходе вещей, оно, это новое, логически незащитимо. Его единственный оплот - физические факты, существующие вопреки своей абсурдности. Новые идеи узаконивают абсурд. И на абсурдных примерах держатся. Для самого Бора ссылка на двойной распад только это и означала: вот еще один пример тех же странностей! А в споре с Резерфордом этот пример был особенно хорош: крупнейшему знатоку радиоактивности двойной распад наверняка должен был представляться чем-то естественным и законным, потому что он с ним свыкся. Можно было ожидать, что тогда и «свобода выбора» квантовых скачков не покажется Резерфорду антифизическим вымыслом. Аргумент Бора должен был сыграть миротворческую роль.
Но Резерфорд вовсе и не собирался враждовать со странностями теории Бора: если бы он не испытывал к ней доверия, он не постеснялся бы сказать об этом датчанину напрямик.
В том же 1913 году Эйнштейн сказал по поводу воровских идей: «…если это правильно, это означает конец физики как науки». Резерфорд так не думал. Он хотел лишь ясности и убедительности. Его замечание прозвучало ' не как возражение, а как недоумение. Позднее Бор писал в своих воспоминаниях, что это недоумение было «очень дальновидным, ибо коснулось той проблемы, которой предстояло стать центральным пунктом последующих продолжительных дискуссий». Продолжительных!
Это сказано было слишком скромно. И сегодня, через полвека с лишним, длятся те же дискуссии. Еще и сегодня раздаются голоса, всерьез повторяющие шутливый довод Эйнштейна против вероятностного истолкования законов микромира: «Я не могу поверить, будто господь бог играет в кости!» Еще и сегодня…
Словом, и сегодня еще длится спор, начавшийся мартовскими вечерами 13-го года в манчестерском доме Резерфорда.