Не останавливаясь на обосновании теории относительности, мы будем использовать два важных факта, следующих из нее. С первым мы уже знакомы это ограничение на скорость распространения любых сигналов: она не может превышать скорость распространения света в пустоте. Второй факт состоит в том, что масса тела, движущегося по законам теории относительности, должна возрастать по мере того, как скорость движения тела приближается к предельной, то есть к скорости света. Поэтому частица, обладающая массой, практически никогда не может достичь предельной скорости, в этом случае она обладала бы бесконечно большой массой.
Итак, гипотеза "абсолютно твердого" электрона вступила в конфликт с релятивистской механикой. Сквозь шарик размером порядка 10-13 сантиметра ни один сигнал не может проходить быстрее, чем за время порядка 10-23 секунды. Это чрезвычайно малый промежуток времени, но он не равен нулю! Поэтому мы не имеем права говорить об "абсолютной твердости" электронного вещества - оно поневоле должно обладать некоторой упругостью. Но, как мы помним, с упругим электроном-шариком тоже возникают немалые проблемы - необходимо объяснить природу упругого материала, из которого сделан электрон...
До сих пор мы обсуждали причины неудовлетворительности классической теории электрона с позиций классических же представлений. Старая концепция оказалась внутренне противоречивой, и появление теории относительности лишь подчеркнуло ее трудности. Многие физики того времени все еще питали надежды на светлое будущее модели электрона-шарика, полагая, что новые гипотезы о природе образующего микрочастицу вещества помогут спасти положение. Между тем эта модель уже завершала свой "круг почета", чтобы навсегда покинуть арену главных научных событий и занять достойное место в архиве замечательных физических теорий. А на смену ей выходили новые представления и законы квантовой физики...
В 1913 году датский физик Н. Бор предложил новую теорию атома. В ней на долю электрона выпала тяжкая судьба главного ниспровергателя обычных понятий о движении.
Н. Бор исходил из резерфордовских представлений о структуре атомов. Как вы помните, Э. Резерфорд пришел к заключению о планетарном строении атома вокруг центрального ядра должны каким-то образом вращаться электроны. Каким-то? Вот именно, каким? На этот вопрос и попытался ответить молодой датский физик.
Дело в том, что аналогия между планетной системой и атомом хороша лишь до определенного предела. Электроны, как известно, несут электрические заряды и, двигаясь вокруг сильно заряженного ядра по круговым или почти круговым орбитам, неизбежно имеют некоторое ускорение (ускорение равно нулю только в случае прямолинейного и равномерного движения!). А ускоряемый заряд имеет "неприятное" свойство - он обязательно излучает электромагнитные волны. Поскольку волны обязательно уносят какую-то энергию, электрон ее должен терять - ведь полная энергия обязательно сохраняется! Но рано или поздно электрон потеряет всю свою энергию, как говорится, высветится, и непременно упадет на ядро. Самое любопытное состоит в том, что произойти это должно чрезвычайно быстро - всеобщая катастрофическая вспышка, и никаких атомов! Необычайно унылая картина предстала бы перед нашим взором: нет привычного нам вещества, не говоря уж о живых существах, а следовательно, и наблюдать эту противную ситуацию вроде бы некому. Но ведь и обычное вещество и, наконец, мы с вами существуем. Где же противоречие?
Чтобы все-таки согласовать резерфордовскую структуру атомов с бесспорным фактом существования столь милой нашему сердцу атомно-молекулярной вселенной, Н. Бор пошел на героический шаг - он просто запретил электронам непрерывно излучать электромагнитные волны. Он предположил, что электроны должны находиться на некоторых строго определенных орбитах и, двигаясь по этим орбитам, никогда не теряют энергию. Излучение же происходит тогда и только тогда, когда электрону "вздумается" перескочить с одной орбиты на другую.
Но каждая строго определенная орбита соответствует и строго определенному значению энергии электрона. Поэтому при перескоке с одной орбиты на другую электрон может излучить или поглотить тоже строго определенную порцию энергии. Эта порция, очевидно, равна разности между начальным и конечным значениями энергии, которые электрон должен иметь на соответствующих орбитах.
Таким образом, электрон поглощает или теряет энергию только порциями, или квантами. Но ведь, скажем, потери происходят из-за излучения электромагнитного поля! Значит, все будет вполне "увязано", если предположить, что и само электромагнитное излучение происходит только определенными порциями, то есть принять уже знакомую нам эйнштейновскую гипотезу об излучении как потоке порций света, световых квантов-фотонов Именно так и поступил Н. Бор.
Далее, он использовал эйнштейновскую связь между энергией фотона и частотой и пришел к выводу, что частоты фотонов, которые способен излучать атом, имеют также строго определенные значения. Этот результат превосходно соответствовал многолетним наблюдениям экспериментаторов, изучавших спектры излучения и поглощения различных атомов, и указывал на удивительную закономерность появления полос, соответствующих некоторым строго определенным значениям частоты.
Однако успех боровской модели в объяснении экспериментальных данных был куплен дорогой ценой. Но такова уж, вероятно, судьба всех великих идей - они редко появляются только для того, чтобы просто заделать мелкие огрехи на поле существующей теории. Гораздо чаще старая теория вообще остается без пышных одежд и живет лишь до тех пор, пока кто-нибудь не шепнет знаменитые слова: "А король-то голый".
Запрещая непрерывное излучение, Н. Бор фактически запретил и непрерывное движение электрона. И именно поэтому его идеи вызвали целый шквал дискуссий. Еще бы! Ведь гениальный датчанин поставил под удар "святая святых" классической физики - представление о непрерывном движении. Вместо ясных траекторий в пространстве появились какие-то скачки между различными орбитами, кое-кто уже и непрочь был пофантазировать: а вдруг электрон вообще выскакивает из обычного пространства и времени...
Теория Н. Бора бросала смелый вызов всей физической теории в целом. На стороне квантовой модели атома были только экспериментальные данные, которые она объясняла, да, пожалуй, единственная теоретическая модель световых квантов. Сам же А. Эйнштейн, заслуживший к тому времени славу главного "крушителя основ", оказался в числе наиболее активных оппонентов Н. Бора. Не столь уже редкий случай, когда концепция и ее творец становятся по разные стороны баррикад...
В конечном счете, дискуссии показали, что теория Н. Бора стоит вне конкуренции в описании атомных экспериментов, но практически ни один из крупнейших теоретиков не был удовлетворен обоснованием квантовой картины.
Первый фундамент под квантовую модель атома как раз и был подведен в работах тридцатилетнего Л. де Бройля, выполненных в 1923 году и включенных в его докторскую диссертацию. История вряд ли сумеет назвать еще одного столь же дерзкого претендента на ученую степень. Достаточно сказать, что А. Эйнштейн - едва ли не единственный физик, сразу почувствовавший преобразующую силу дебройлевских идей, - рекомендовал прочесть диссертацию М. Борну, охарактеризовав ее как "солидно написанный труд сумасшедшего"!
Гипотеза Л. де Бройля интересна и поучительна и в ином отношении. Она представляет собой удивительно ясный пример плодотворнейшего использования аналогий. Молодой исследователь исходил из того, что строго определенные значения частот получаются в боровской модели слишком искусственным путем. К обычной механике движения тел по орбитам добавляется специальное правило "допустимых орбит", между которыми электроны могут совершать перескоки. А нельзя ли получить тот же самый результат более естественным способом?
Л. де Бройль начинает свое построение с очень интересного мысленного опыта. Давайте предположим, говорит он, что фотон, эйнштейновский квант электромагнитного поля, имеет чрезвычайно малую, но не нулевую массу. Обычно в теории считают, что это не так и масса фотона строго равна нулю. Но ведь ее можно сделать (мысленно!) настолько малой, что никаким известным экспериментам это не будет противоречить.
После этого Л. де Бройль напоминает о двойственной природе электромагнитного поля. Если масса фотона настолько мала, что ее нельзя заметить в эксперименте, то очевидно, нельзя и заметить какие-либо изменения и в известных волновых свойствах электромагнитного поля. Таким образом, делает вывод молодой физик, наличие у частицы массы не исключает в принципе и проявления ее волновых свойств.
Теперь Л. де Бройль делает чрезвычайно смелый и красивый шаг по устранению несправедливости (вероятно, все шаги в этом направлении смелые и красивые, но! увы, далеко не все они достигают цели). Почему, спрашивает он, в случае электромагнитного поля мы пользуемся двумя представлениями, волнами и частицами (фотонами!), а в случае электрона - только одним: частица, и все тут? Если дело только в массе электрона, то волновые явления наблюдать будет трудней, чем в случае электромагнитного поля, но все-таки их можно увидеть!
Итак, Л. де Бройль предсказал, что электрону необходимо сопоставить волну, причем длина волны должна быть обратно пропорциональна его импульсу. Это, прежде всего, привело к очень простому и естественному объяснению загадочного устройства боровского атома.
Как вы помните, Н. Бор "разрешил" электронам двигаться, ничего не излучая, лишь по некоторым, строго определенным орбитам. Но перед физиками встал мучительный вопрос: чем, собственно говоря, выделены именно такие "допустимые орбиты" среди любых других? Неужели, недоумевали теоретики, за боровскими правилами определения этих орбит не скрывается какое-то глубокое свойство электронов, ясный физический образ, который помог бы расшифровать столь необычные законы внутриатомного движения?
Что уж тут поделаешь! Ни в физике, ни в повседневной жизни люди не удовлетворяются сухими предписаниями типа: "то-то и то-то должно двигаться так-то и так-то". Всегда возникают вопросы: а почему именно так, а что будет, ежели по-другому?..
Возьмем совсем простой, казалось бы, пример - правила дорожного движения. На автострадах, на улицах наших городов развешаны многочисленные знаки, которые запрещают, указывают, предостерегают, предлагают... Их придумано очень много - ровно столько, сколько необходимо, чтобы сориентироваться на современных, перегруженных машинами дорогах. И трудно выучить все эти знаки просто так, не вдумываясь в их смысл, не испытав их значения на практике, сидя за рулем. Установлено, что автолюбители, сознательно изучившие роль тех или иных знаков, гораздо реже попадают в аварии, чем те, которые восприняли науку о дорожном движении как скучную приправу к заветным водительским правам. И вот, скажем, перед водителями первого и второго типа возникает знак "Обгон воспрещен!".
Первый, несомненно, послушается, даже если ему придется плестись в хвосте у неторопливого перегруженного грузовика с прицепом Он хорошо знает, что обгонять нельзя по той простой причине, что на данном участке дороги не хватит места для трех автомобилей, идущих рядом, а вероятностью появления встречной машины как раз в момент обгона не стоит пренебрегать. Второй водитель в такой же ситуации начнет лихорадочно соображать: "Эта дизельная вонючка вымотает мне все нервы. Только что я успешно совершил несколько обгонов, ширина дороги вроде бы не изменилась, инспектора нигде не видать. Была не была!" Проскочит он, может быть, разок-другой по принципу "была не была", а на третий - краткое сообщение ГАИ в вечерней газете, скромный венок от месткома... А ведь вдумайся он хоть раз в "физический смысл" запрета на обгон, ездить ему бы и ездить...
Имея в виду этот несколько грустный пример, перейдем к правилам внутриатомного движения электрона. Почему в них разрешено движение только по строго определенным воровским орбитам? Л. де Бройль ответил на этот вопрос следующим образом: вместе с электроном на орбите присутствует волна, и вот именно она может существовать только в некоторых строго определенных случаях.
Вот, оказывается, в чем суть дела! Будь электрон просто частицей, он мог бы носиться вокруг ядра на любом расстоянии. Но его неизбежно сопровождает волна, и ему приходится думать и о ее существовании. А волна, в свою очередь, "выбирает" только те орбиты, на которых она может уложиться целое число раз. Иными словами, отношение длины окружности, по которой бегает электрон, к длине сопровождающей его волны непременно должно быть целым числом. Очевидно, что орбиты, удовлетворяющие этому условию, окажутся выделенными, а на всех остальных орбитах просто не хватает места для того, чтобы "электронная волна" бежала по замкнутой окружности, уложившись в ней целое число раз.
Исходя из таких соображений, Л. де Бройль сумел объяснить закономерности расположения электронных орбит в атоме и правила, по которым атомы излучают фотоны строю определенных частот. Это был огромный, но отнюдь не главный успех молодого исследователя. Из его гипотезы следовало, что волновые свойства электронов должны проявиться и вне атомов. В частности, электроны должны были рассеиваться на достаточно малых препятствиях, подобно электромагнитным волнам, в частности, свету, образуя дифракционную картину.
Дифракция - очень интересное явление. Его обнаружение явилось в свое время решающим аргументом в пользу волновой теории света. Еще древние греки догадывались, что свет распространяется прямолинейно, от какого источника он бы ни исходил: от гигантского Солнца или от маленького костра. И. Ньютон положил этот факт в основу своей теории, считая, что свет состоит из мельчайших частичек - особых световых корпускул. С такой точки зрения легко и наглядно объясняется, например, образование тени. Скажем, в яркую, солнечную погоду многие пользуются зонтиками. Это простейшее приспособление для того, чтобы избежать чрезмерного загара; оно действует по принципу поглощения светового потока. Для световых корпускул зонтик играет роль экрана. Такова же его роль и во время дождя, когда экранируется поток дождевых капель. В первом случае зонтик отбрасывает тень на тротуар, а во втором - образуется небольшой сухой круг, в который не могут попасть капли.
Казалось бы, налицо полная аналогия между световыми и дождевыми корпускулами! Но уже довольно давно был обнаружен и один "неприятный" факт: края тени оказываются всегда несколько размытыми. При более подробном изучении рассеяния света на небольших препятствиях или при его прохождении сквозь малые отверстия физики выяснили, что свет попадает и туда, куда не должен был бы попадать ни в коем случае, будь он и в самом деле потоком ньютоновских корпускул. Скажем, проходя сквозь малое отверстие, свет оставляет на экране яркое пятно, но вокруг этого пятна появляются дополнительные кольца. Аналогичная картина возникает и в том случае, когда на пути светового луча помещается небольшой предмет - помимо главной тени, на экране образуются дополнительные затененные места.
Все эти явления нельзя понять с точки зрения модели прямолинейно распространяющихся световых корпускул. Если эта модель была бы верна, то зонтик или любой другой предмет отбрасывал бы абсолютно четкую, словно "ножом обрезанную" тень, не говоря уж о том, что не появлялись бы дополнительные кольца освещения или затенения. Зато такие эффекты легко объяснялись в волновой теории, согласно которой свет, как и всякая волна, должен был слегка огибать края препятствия, проникая в, казалось бы, запрещенную зону. Это явление и называется дифракцией.
Разумеется, видимый свет представляет собой лишь частный случай электромагнитного поля. Поля с другими характерными длинами волн радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-излучения - также способны испытывать дифракцию на различных препятствиях, однако, чтобы образовалась ясная волновая картина, необходимо ставить опыты с такими предметами или отверстиями, которые соизмеримы с длиной падающих на них волн. Это условие нетрудно выполнить, например, для радиоволн, длина которых практически заключена в интервале от долей сантиметра до сотен километров. Препятствия такого размера, как говорится, всегда под рукой. Но чем короче волны, тем труднее отыскать необходимые препятствия. Скажем, для появления хороших дифракционных картинок при рассеянии обычного видимого света приходится устраивать особые сверхтонкие решетки. Но уже для рентгеновских лучей, обладающих гораздо меньшей длиной волны, никакими механическими средствами такие решетки сделать нельзя. Как вы помните, для доказательства их волновой природы пришлось использовать естественные тончайшие структуры кристаллических решеток вещества.
Такого же рода проблемы приходилось решать и для экспериментального открытия волновых свойств электронов, предсказанных Л. де Бройлем. Физики заранее представляли себе, что длины волн в случае электронов очень малы, и только атомно-молекулярные кристаллические решетки помогут подтвердить или опровергнуть замечательную гипотезу. В этом плане поиск ответа был достаточно целенаправленным, однако "господин Счастливый Случай" и на этот раз сказал свое веское слово...
В 1928 году американские физики Ч. Дэвиссон и Л. Джермер изучали рассеяние электронов на никеле. В распределении рассеянных частиц исследователи наблюдали какие-то слабо выраженные максимумы - своеобразное усиление "засветки"; но, поскольку эффект был очень незначительным, никто не обращал на него внимания. Во время одного из экспериментов произошла неприятность - в прибор проник воздух, и никелевый образец окислился. Чтобы не терять времени на поиск нового образца чистого никеля, физики решили устранить окисную пленку, прокаливая никель в вакуумной камере.
Повторив опыт с обновленным образцом, они увидели, что максимумы стали гораздо заметней. Конечно, сначала этот факт вызвал немалое удивление, но получившееся распределение рассеянных электронов до того напоминало известные дифракционные картинки для света и рентгеновских лучей, что не оставалось и тени сомнения - открыта дифракция дебройлевских электронных волн! Прокаливание никелевого образца в вакууме оказало неоценимую услугу, так как наряду с устранением окисной пленки произошло укрупнение кристаллов никеля. Благодаря этому слабо выраженная дифракционная картина стала отчетливой, и рядовая работа привела к открытию мирового значения.
Буквально через несколько месяцев блестяще завершились эксперименты профессора Абердинского университета Дж. П. Томсона, который исследовал рассеяние электронов на тонких золотых пластинках, специально приготовленных для проверки дебройлевской гипотезы. Полученные им фотопластинки демонстрировали удивительное сходство с уже известными результатами опытов по дифракции рентгеновских лучей. Так сын (Дж. П. Томсон - сын известного "Джи-Джи") немного "подправил" открытие отца, доказав, что сторонники волновой природы катодных лучей были не так уж далеки от истины.
Независимо от американцев и англичанина дифракция электронов была зарегистрирована в опытах советского физика П. Тартаковского.
История предсказания и открытия волновых свойств электрона необычайно богата событиями, которые произошли на более поздних этапах развития физики элементарных частиц. Посмотрите, как интересно получается!
Во-первых, работы Л. де Бройля знаменовали первую серьезную смену моделей самой элементарной частицы. Немного перефразируя упомянутое ранее высказывание Г. Липсона по поводу открытия электрона, можно отметить, что после этих работ теория частиц никогда уже не будет похожа на ту, которая существовала до установления волновых свойств.
Во-вторых, в гипотезе Л. де Бройля был использован в предельно чистой форме метод аналогий, который является практически основным методом построения новых теоретических моделей, особенно в период бурного развития определенного раздела науки. Именно аналогии позволяют современным теоретикам добиваться понимания удивительно тонких закономерностей микромира.
В-третьих, опять-таки в очень чистой форме здесь можно наблюдать всю важность теоретического опережения. Ведь, казалось бы, ничто не мешало тому же Дж. Дж. Томсону предвосхитить открытие собственного сына на 30 лет. В его лаборатории было все необходимое - и хороший поток электронов, и золотая фольга, и фотопластинки, и... не хватало только идеи дифракционного эксперимента. Можно возразить: в то время еще не знали, что фольгу следует использовать в качестве своеобразной дифракционной решетки. Пусть так, но ведь и этот факт был установлен за 16 лет до опытов Дэвиссона-Джермера и Дж. П. Томсона!
Новое свойство электрона вскоре было поставлено на службу науке. Из модели Л. де Бройля следовало, что длина волны частицы обратно пропорциональна ее импульсу: то есть с помощью достаточно быстрых электронов можно в принципе разглядеть отдельные атомы! Так родилась идея электронного микроскопа, первый образец которого заработал уже в 1931 году. Правда, практически увидеть отдельные атомы с его помощью так и не удалось, но после некоторых усовершенствований было достигнуто примерно 100000-кратное увеличение, и физики смогли как следует разглядеть молекулярную структуру кристаллов.
Впоследствии удалось добиться еще большего увеличения, используя вместо электронов тяжелые ионы: на так называемом микроскопе Мюллера были получены красивые дифракционные картинки - снимки атомов.
Электронная микроскопия совместно с рентгеноскопическими методами буквально преобразовала экспериментальную базу биологии. С их помощью был разгадан наследственный код и решено множество других важных задач.
Обнаружив такие выдающиеся способности электрона при исследовании структуры вещества, ученые не могли, конечно, пройти мимо соблазна использовать их для решения фундаментальных физических проблем. Физики довольно рано осознали, что наряду с зондированием атомно-молекулярной структуры электронный пучок с достаточно малой длиной волны способен дать важнейшую информацию о внутреннем устройстве атомных ядер и даже отдельных элементарных частиц. Но для этого необходимо преодолеть немалый барьер научиться создавать пучки частиц с исключительно высоким импульсом. Так постепенно зарождались взгляды, открывшие новую эпоху в исследованиях микромира.
Итак, электроны продемонстрировали волновые свойства. Если разобраться в исторических фактах, то "генеалогическому древу" физики элементарных частиц ничего не угрожает. Ведь гипотезы о непрерывной (читай - волновой) субстанции, лежащей в основе всех вещей и пронизывающей пространство и время, также восходят к древним грекам. Они встречаются у великого Платона, их сторонником был, по-видимому, и сам Аристотель. Корпускулярной теории света, сформулированной во второй половине XVII века Исааком Ньютоном, противостояла волновая концепция крупнейшего авторитета в области оптики и в других разделах физики - X. Гюйгенса. И так во всей истории физики: когда один ученый говорил - "частица", почти сразу же находился другой, заявлявший не менее убедительно - "волна".
Борьба мнений в науке - необходимый и интересный процесс, но... Что же такое эти элементарные частицы на самом деле? Частицы ли это в собственном смысле слова, то есть нечто более или менее твердое, обладающее резко выраженной границей или "размазанные" по всему пространству волны?
Дальнейшее движение вперед без ответа на этот вопрос невозможно. Поэтому нам предстоит совершить еще одно путешествие в те же времена.
МАРШРУТ № 3. СНОВА КВАНТОВАННЫЙ МИР
Пока вне поля нашего зрения остались события, которые уже с 1927 года повели физику элементарных частиц по новому пути. Электрон оказался и не волной и не частицей (в классическом понимании этих образов), и древний как мир спор стал объектом внимания историков от науки и философов.
Вкратце ход решения двадцатипятивековой дилеммы выглядит следующим образом. Через некоторое время после публикации дебройлевских работ ими заинтересовался австрийский физик-теоретик Э. Шредингер. В серии работ, выполненных в 1925-1927 годах, он довел гипотезу Л. де Бройля до уровня серьезной теории и вполне справедливо назвал ее волновой механикой.
Огромное преимущество такого подхода перед так называемой "старой квантовой механикой" заключалось в построении ясного и предельно общего метода решения любой задачи о поведении микрочастиц. Этот метод был основан на знаменитом уравнении Шредингера для дебройлевских волн. Это уравнение связывало всякое изменение волны во времени с энергией частицы, с которой сопоставлена эта волна. Достаточно было только выяснить вид потенциальной энергии взаимодействия двух или нескольких частиц и ввести эту функцию в уравнение - дальше возникала чисто математическая (лишь в редких случаях простая!) проблема. На основе такого метода практически все задачи, которые с великими трудностями и не менее великим искусством решали создатели старой квантовой механики, в первую очередь Н. Бор и его ученики, становились едва ли не упражнениями для студентов (сейчас они входят в программу III-IV курсов университета!). Но не менее важно и то, что был расчищен путь к задачам, о которых раньше и мечтать не смели.
Итак, гипотеза "абсолютно твердого" электрона вступила в конфликт с релятивистской механикой. Сквозь шарик размером порядка 10-13 сантиметра ни один сигнал не может проходить быстрее, чем за время порядка 10-23 секунды. Это чрезвычайно малый промежуток времени, но он не равен нулю! Поэтому мы не имеем права говорить об "абсолютной твердости" электронного вещества - оно поневоле должно обладать некоторой упругостью. Но, как мы помним, с упругим электроном-шариком тоже возникают немалые проблемы - необходимо объяснить природу упругого материала, из которого сделан электрон...
До сих пор мы обсуждали причины неудовлетворительности классической теории электрона с позиций классических же представлений. Старая концепция оказалась внутренне противоречивой, и появление теории относительности лишь подчеркнуло ее трудности. Многие физики того времени все еще питали надежды на светлое будущее модели электрона-шарика, полагая, что новые гипотезы о природе образующего микрочастицу вещества помогут спасти положение. Между тем эта модель уже завершала свой "круг почета", чтобы навсегда покинуть арену главных научных событий и занять достойное место в архиве замечательных физических теорий. А на смену ей выходили новые представления и законы квантовой физики...
В 1913 году датский физик Н. Бор предложил новую теорию атома. В ней на долю электрона выпала тяжкая судьба главного ниспровергателя обычных понятий о движении.
Н. Бор исходил из резерфордовских представлений о структуре атомов. Как вы помните, Э. Резерфорд пришел к заключению о планетарном строении атома вокруг центрального ядра должны каким-то образом вращаться электроны. Каким-то? Вот именно, каким? На этот вопрос и попытался ответить молодой датский физик.
Дело в том, что аналогия между планетной системой и атомом хороша лишь до определенного предела. Электроны, как известно, несут электрические заряды и, двигаясь вокруг сильно заряженного ядра по круговым или почти круговым орбитам, неизбежно имеют некоторое ускорение (ускорение равно нулю только в случае прямолинейного и равномерного движения!). А ускоряемый заряд имеет "неприятное" свойство - он обязательно излучает электромагнитные волны. Поскольку волны обязательно уносят какую-то энергию, электрон ее должен терять - ведь полная энергия обязательно сохраняется! Но рано или поздно электрон потеряет всю свою энергию, как говорится, высветится, и непременно упадет на ядро. Самое любопытное состоит в том, что произойти это должно чрезвычайно быстро - всеобщая катастрофическая вспышка, и никаких атомов! Необычайно унылая картина предстала бы перед нашим взором: нет привычного нам вещества, не говоря уж о живых существах, а следовательно, и наблюдать эту противную ситуацию вроде бы некому. Но ведь и обычное вещество и, наконец, мы с вами существуем. Где же противоречие?
Чтобы все-таки согласовать резерфордовскую структуру атомов с бесспорным фактом существования столь милой нашему сердцу атомно-молекулярной вселенной, Н. Бор пошел на героический шаг - он просто запретил электронам непрерывно излучать электромагнитные волны. Он предположил, что электроны должны находиться на некоторых строго определенных орбитах и, двигаясь по этим орбитам, никогда не теряют энергию. Излучение же происходит тогда и только тогда, когда электрону "вздумается" перескочить с одной орбиты на другую.
Но каждая строго определенная орбита соответствует и строго определенному значению энергии электрона. Поэтому при перескоке с одной орбиты на другую электрон может излучить или поглотить тоже строго определенную порцию энергии. Эта порция, очевидно, равна разности между начальным и конечным значениями энергии, которые электрон должен иметь на соответствующих орбитах.
Таким образом, электрон поглощает или теряет энергию только порциями, или квантами. Но ведь, скажем, потери происходят из-за излучения электромагнитного поля! Значит, все будет вполне "увязано", если предположить, что и само электромагнитное излучение происходит только определенными порциями, то есть принять уже знакомую нам эйнштейновскую гипотезу об излучении как потоке порций света, световых квантов-фотонов Именно так и поступил Н. Бор.
Далее, он использовал эйнштейновскую связь между энергией фотона и частотой и пришел к выводу, что частоты фотонов, которые способен излучать атом, имеют также строго определенные значения. Этот результат превосходно соответствовал многолетним наблюдениям экспериментаторов, изучавших спектры излучения и поглощения различных атомов, и указывал на удивительную закономерность появления полос, соответствующих некоторым строго определенным значениям частоты.
Однако успех боровской модели в объяснении экспериментальных данных был куплен дорогой ценой. Но такова уж, вероятно, судьба всех великих идей - они редко появляются только для того, чтобы просто заделать мелкие огрехи на поле существующей теории. Гораздо чаще старая теория вообще остается без пышных одежд и живет лишь до тех пор, пока кто-нибудь не шепнет знаменитые слова: "А король-то голый".
Запрещая непрерывное излучение, Н. Бор фактически запретил и непрерывное движение электрона. И именно поэтому его идеи вызвали целый шквал дискуссий. Еще бы! Ведь гениальный датчанин поставил под удар "святая святых" классической физики - представление о непрерывном движении. Вместо ясных траекторий в пространстве появились какие-то скачки между различными орбитами, кое-кто уже и непрочь был пофантазировать: а вдруг электрон вообще выскакивает из обычного пространства и времени...
Теория Н. Бора бросала смелый вызов всей физической теории в целом. На стороне квантовой модели атома были только экспериментальные данные, которые она объясняла, да, пожалуй, единственная теоретическая модель световых квантов. Сам же А. Эйнштейн, заслуживший к тому времени славу главного "крушителя основ", оказался в числе наиболее активных оппонентов Н. Бора. Не столь уже редкий случай, когда концепция и ее творец становятся по разные стороны баррикад...
В конечном счете, дискуссии показали, что теория Н. Бора стоит вне конкуренции в описании атомных экспериментов, но практически ни один из крупнейших теоретиков не был удовлетворен обоснованием квантовой картины.
Первый фундамент под квантовую модель атома как раз и был подведен в работах тридцатилетнего Л. де Бройля, выполненных в 1923 году и включенных в его докторскую диссертацию. История вряд ли сумеет назвать еще одного столь же дерзкого претендента на ученую степень. Достаточно сказать, что А. Эйнштейн - едва ли не единственный физик, сразу почувствовавший преобразующую силу дебройлевских идей, - рекомендовал прочесть диссертацию М. Борну, охарактеризовав ее как "солидно написанный труд сумасшедшего"!
Гипотеза Л. де Бройля интересна и поучительна и в ином отношении. Она представляет собой удивительно ясный пример плодотворнейшего использования аналогий. Молодой исследователь исходил из того, что строго определенные значения частот получаются в боровской модели слишком искусственным путем. К обычной механике движения тел по орбитам добавляется специальное правило "допустимых орбит", между которыми электроны могут совершать перескоки. А нельзя ли получить тот же самый результат более естественным способом?
Л. де Бройль начинает свое построение с очень интересного мысленного опыта. Давайте предположим, говорит он, что фотон, эйнштейновский квант электромагнитного поля, имеет чрезвычайно малую, но не нулевую массу. Обычно в теории считают, что это не так и масса фотона строго равна нулю. Но ведь ее можно сделать (мысленно!) настолько малой, что никаким известным экспериментам это не будет противоречить.
После этого Л. де Бройль напоминает о двойственной природе электромагнитного поля. Если масса фотона настолько мала, что ее нельзя заметить в эксперименте, то очевидно, нельзя и заметить какие-либо изменения и в известных волновых свойствах электромагнитного поля. Таким образом, делает вывод молодой физик, наличие у частицы массы не исключает в принципе и проявления ее волновых свойств.
Теперь Л. де Бройль делает чрезвычайно смелый и красивый шаг по устранению несправедливости (вероятно, все шаги в этом направлении смелые и красивые, но! увы, далеко не все они достигают цели). Почему, спрашивает он, в случае электромагнитного поля мы пользуемся двумя представлениями, волнами и частицами (фотонами!), а в случае электрона - только одним: частица, и все тут? Если дело только в массе электрона, то волновые явления наблюдать будет трудней, чем в случае электромагнитного поля, но все-таки их можно увидеть!
Итак, Л. де Бройль предсказал, что электрону необходимо сопоставить волну, причем длина волны должна быть обратно пропорциональна его импульсу. Это, прежде всего, привело к очень простому и естественному объяснению загадочного устройства боровского атома.
Как вы помните, Н. Бор "разрешил" электронам двигаться, ничего не излучая, лишь по некоторым, строго определенным орбитам. Но перед физиками встал мучительный вопрос: чем, собственно говоря, выделены именно такие "допустимые орбиты" среди любых других? Неужели, недоумевали теоретики, за боровскими правилами определения этих орбит не скрывается какое-то глубокое свойство электронов, ясный физический образ, который помог бы расшифровать столь необычные законы внутриатомного движения?
Что уж тут поделаешь! Ни в физике, ни в повседневной жизни люди не удовлетворяются сухими предписаниями типа: "то-то и то-то должно двигаться так-то и так-то". Всегда возникают вопросы: а почему именно так, а что будет, ежели по-другому?..
Возьмем совсем простой, казалось бы, пример - правила дорожного движения. На автострадах, на улицах наших городов развешаны многочисленные знаки, которые запрещают, указывают, предостерегают, предлагают... Их придумано очень много - ровно столько, сколько необходимо, чтобы сориентироваться на современных, перегруженных машинами дорогах. И трудно выучить все эти знаки просто так, не вдумываясь в их смысл, не испытав их значения на практике, сидя за рулем. Установлено, что автолюбители, сознательно изучившие роль тех или иных знаков, гораздо реже попадают в аварии, чем те, которые восприняли науку о дорожном движении как скучную приправу к заветным водительским правам. И вот, скажем, перед водителями первого и второго типа возникает знак "Обгон воспрещен!".
Первый, несомненно, послушается, даже если ему придется плестись в хвосте у неторопливого перегруженного грузовика с прицепом Он хорошо знает, что обгонять нельзя по той простой причине, что на данном участке дороги не хватит места для трех автомобилей, идущих рядом, а вероятностью появления встречной машины как раз в момент обгона не стоит пренебрегать. Второй водитель в такой же ситуации начнет лихорадочно соображать: "Эта дизельная вонючка вымотает мне все нервы. Только что я успешно совершил несколько обгонов, ширина дороги вроде бы не изменилась, инспектора нигде не видать. Была не была!" Проскочит он, может быть, разок-другой по принципу "была не была", а на третий - краткое сообщение ГАИ в вечерней газете, скромный венок от месткома... А ведь вдумайся он хоть раз в "физический смысл" запрета на обгон, ездить ему бы и ездить...
Имея в виду этот несколько грустный пример, перейдем к правилам внутриатомного движения электрона. Почему в них разрешено движение только по строго определенным воровским орбитам? Л. де Бройль ответил на этот вопрос следующим образом: вместе с электроном на орбите присутствует волна, и вот именно она может существовать только в некоторых строго определенных случаях.
Вот, оказывается, в чем суть дела! Будь электрон просто частицей, он мог бы носиться вокруг ядра на любом расстоянии. Но его неизбежно сопровождает волна, и ему приходится думать и о ее существовании. А волна, в свою очередь, "выбирает" только те орбиты, на которых она может уложиться целое число раз. Иными словами, отношение длины окружности, по которой бегает электрон, к длине сопровождающей его волны непременно должно быть целым числом. Очевидно, что орбиты, удовлетворяющие этому условию, окажутся выделенными, а на всех остальных орбитах просто не хватает места для того, чтобы "электронная волна" бежала по замкнутой окружности, уложившись в ней целое число раз.
Исходя из таких соображений, Л. де Бройль сумел объяснить закономерности расположения электронных орбит в атоме и правила, по которым атомы излучают фотоны строю определенных частот. Это был огромный, но отнюдь не главный успех молодого исследователя. Из его гипотезы следовало, что волновые свойства электронов должны проявиться и вне атомов. В частности, электроны должны были рассеиваться на достаточно малых препятствиях, подобно электромагнитным волнам, в частности, свету, образуя дифракционную картину.
Дифракция - очень интересное явление. Его обнаружение явилось в свое время решающим аргументом в пользу волновой теории света. Еще древние греки догадывались, что свет распространяется прямолинейно, от какого источника он бы ни исходил: от гигантского Солнца или от маленького костра. И. Ньютон положил этот факт в основу своей теории, считая, что свет состоит из мельчайших частичек - особых световых корпускул. С такой точки зрения легко и наглядно объясняется, например, образование тени. Скажем, в яркую, солнечную погоду многие пользуются зонтиками. Это простейшее приспособление для того, чтобы избежать чрезмерного загара; оно действует по принципу поглощения светового потока. Для световых корпускул зонтик играет роль экрана. Такова же его роль и во время дождя, когда экранируется поток дождевых капель. В первом случае зонтик отбрасывает тень на тротуар, а во втором - образуется небольшой сухой круг, в который не могут попасть капли.
Казалось бы, налицо полная аналогия между световыми и дождевыми корпускулами! Но уже довольно давно был обнаружен и один "неприятный" факт: края тени оказываются всегда несколько размытыми. При более подробном изучении рассеяния света на небольших препятствиях или при его прохождении сквозь малые отверстия физики выяснили, что свет попадает и туда, куда не должен был бы попадать ни в коем случае, будь он и в самом деле потоком ньютоновских корпускул. Скажем, проходя сквозь малое отверстие, свет оставляет на экране яркое пятно, но вокруг этого пятна появляются дополнительные кольца. Аналогичная картина возникает и в том случае, когда на пути светового луча помещается небольшой предмет - помимо главной тени, на экране образуются дополнительные затененные места.
Все эти явления нельзя понять с точки зрения модели прямолинейно распространяющихся световых корпускул. Если эта модель была бы верна, то зонтик или любой другой предмет отбрасывал бы абсолютно четкую, словно "ножом обрезанную" тень, не говоря уж о том, что не появлялись бы дополнительные кольца освещения или затенения. Зато такие эффекты легко объяснялись в волновой теории, согласно которой свет, как и всякая волна, должен был слегка огибать края препятствия, проникая в, казалось бы, запрещенную зону. Это явление и называется дифракцией.
Разумеется, видимый свет представляет собой лишь частный случай электромагнитного поля. Поля с другими характерными длинами волн радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-излучения - также способны испытывать дифракцию на различных препятствиях, однако, чтобы образовалась ясная волновая картина, необходимо ставить опыты с такими предметами или отверстиями, которые соизмеримы с длиной падающих на них волн. Это условие нетрудно выполнить, например, для радиоволн, длина которых практически заключена в интервале от долей сантиметра до сотен километров. Препятствия такого размера, как говорится, всегда под рукой. Но чем короче волны, тем труднее отыскать необходимые препятствия. Скажем, для появления хороших дифракционных картинок при рассеянии обычного видимого света приходится устраивать особые сверхтонкие решетки. Но уже для рентгеновских лучей, обладающих гораздо меньшей длиной волны, никакими механическими средствами такие решетки сделать нельзя. Как вы помните, для доказательства их волновой природы пришлось использовать естественные тончайшие структуры кристаллических решеток вещества.
Такого же рода проблемы приходилось решать и для экспериментального открытия волновых свойств электронов, предсказанных Л. де Бройлем. Физики заранее представляли себе, что длины волн в случае электронов очень малы, и только атомно-молекулярные кристаллические решетки помогут подтвердить или опровергнуть замечательную гипотезу. В этом плане поиск ответа был достаточно целенаправленным, однако "господин Счастливый Случай" и на этот раз сказал свое веское слово...
В 1928 году американские физики Ч. Дэвиссон и Л. Джермер изучали рассеяние электронов на никеле. В распределении рассеянных частиц исследователи наблюдали какие-то слабо выраженные максимумы - своеобразное усиление "засветки"; но, поскольку эффект был очень незначительным, никто не обращал на него внимания. Во время одного из экспериментов произошла неприятность - в прибор проник воздух, и никелевый образец окислился. Чтобы не терять времени на поиск нового образца чистого никеля, физики решили устранить окисную пленку, прокаливая никель в вакуумной камере.
Повторив опыт с обновленным образцом, они увидели, что максимумы стали гораздо заметней. Конечно, сначала этот факт вызвал немалое удивление, но получившееся распределение рассеянных электронов до того напоминало известные дифракционные картинки для света и рентгеновских лучей, что не оставалось и тени сомнения - открыта дифракция дебройлевских электронных волн! Прокаливание никелевого образца в вакууме оказало неоценимую услугу, так как наряду с устранением окисной пленки произошло укрупнение кристаллов никеля. Благодаря этому слабо выраженная дифракционная картина стала отчетливой, и рядовая работа привела к открытию мирового значения.
Буквально через несколько месяцев блестяще завершились эксперименты профессора Абердинского университета Дж. П. Томсона, который исследовал рассеяние электронов на тонких золотых пластинках, специально приготовленных для проверки дебройлевской гипотезы. Полученные им фотопластинки демонстрировали удивительное сходство с уже известными результатами опытов по дифракции рентгеновских лучей. Так сын (Дж. П. Томсон - сын известного "Джи-Джи") немного "подправил" открытие отца, доказав, что сторонники волновой природы катодных лучей были не так уж далеки от истины.
Независимо от американцев и англичанина дифракция электронов была зарегистрирована в опытах советского физика П. Тартаковского.
История предсказания и открытия волновых свойств электрона необычайно богата событиями, которые произошли на более поздних этапах развития физики элементарных частиц. Посмотрите, как интересно получается!
Во-первых, работы Л. де Бройля знаменовали первую серьезную смену моделей самой элементарной частицы. Немного перефразируя упомянутое ранее высказывание Г. Липсона по поводу открытия электрона, можно отметить, что после этих работ теория частиц никогда уже не будет похожа на ту, которая существовала до установления волновых свойств.
Во-вторых, в гипотезе Л. де Бройля был использован в предельно чистой форме метод аналогий, который является практически основным методом построения новых теоретических моделей, особенно в период бурного развития определенного раздела науки. Именно аналогии позволяют современным теоретикам добиваться понимания удивительно тонких закономерностей микромира.
В-третьих, опять-таки в очень чистой форме здесь можно наблюдать всю важность теоретического опережения. Ведь, казалось бы, ничто не мешало тому же Дж. Дж. Томсону предвосхитить открытие собственного сына на 30 лет. В его лаборатории было все необходимое - и хороший поток электронов, и золотая фольга, и фотопластинки, и... не хватало только идеи дифракционного эксперимента. Можно возразить: в то время еще не знали, что фольгу следует использовать в качестве своеобразной дифракционной решетки. Пусть так, но ведь и этот факт был установлен за 16 лет до опытов Дэвиссона-Джермера и Дж. П. Томсона!
Новое свойство электрона вскоре было поставлено на службу науке. Из модели Л. де Бройля следовало, что длина волны частицы обратно пропорциональна ее импульсу: то есть с помощью достаточно быстрых электронов можно в принципе разглядеть отдельные атомы! Так родилась идея электронного микроскопа, первый образец которого заработал уже в 1931 году. Правда, практически увидеть отдельные атомы с его помощью так и не удалось, но после некоторых усовершенствований было достигнуто примерно 100000-кратное увеличение, и физики смогли как следует разглядеть молекулярную структуру кристаллов.
Впоследствии удалось добиться еще большего увеличения, используя вместо электронов тяжелые ионы: на так называемом микроскопе Мюллера были получены красивые дифракционные картинки - снимки атомов.
Электронная микроскопия совместно с рентгеноскопическими методами буквально преобразовала экспериментальную базу биологии. С их помощью был разгадан наследственный код и решено множество других важных задач.
Обнаружив такие выдающиеся способности электрона при исследовании структуры вещества, ученые не могли, конечно, пройти мимо соблазна использовать их для решения фундаментальных физических проблем. Физики довольно рано осознали, что наряду с зондированием атомно-молекулярной структуры электронный пучок с достаточно малой длиной волны способен дать важнейшую информацию о внутреннем устройстве атомных ядер и даже отдельных элементарных частиц. Но для этого необходимо преодолеть немалый барьер научиться создавать пучки частиц с исключительно высоким импульсом. Так постепенно зарождались взгляды, открывшие новую эпоху в исследованиях микромира.
Итак, электроны продемонстрировали волновые свойства. Если разобраться в исторических фактах, то "генеалогическому древу" физики элементарных частиц ничего не угрожает. Ведь гипотезы о непрерывной (читай - волновой) субстанции, лежащей в основе всех вещей и пронизывающей пространство и время, также восходят к древним грекам. Они встречаются у великого Платона, их сторонником был, по-видимому, и сам Аристотель. Корпускулярной теории света, сформулированной во второй половине XVII века Исааком Ньютоном, противостояла волновая концепция крупнейшего авторитета в области оптики и в других разделах физики - X. Гюйгенса. И так во всей истории физики: когда один ученый говорил - "частица", почти сразу же находился другой, заявлявший не менее убедительно - "волна".
Борьба мнений в науке - необходимый и интересный процесс, но... Что же такое эти элементарные частицы на самом деле? Частицы ли это в собственном смысле слова, то есть нечто более или менее твердое, обладающее резко выраженной границей или "размазанные" по всему пространству волны?
Дальнейшее движение вперед без ответа на этот вопрос невозможно. Поэтому нам предстоит совершить еще одно путешествие в те же времена.
МАРШРУТ № 3. СНОВА КВАНТОВАННЫЙ МИР
Пока вне поля нашего зрения остались события, которые уже с 1927 года повели физику элементарных частиц по новому пути. Электрон оказался и не волной и не частицей (в классическом понимании этих образов), и древний как мир спор стал объектом внимания историков от науки и философов.
Вкратце ход решения двадцатипятивековой дилеммы выглядит следующим образом. Через некоторое время после публикации дебройлевских работ ими заинтересовался австрийский физик-теоретик Э. Шредингер. В серии работ, выполненных в 1925-1927 годах, он довел гипотезу Л. де Бройля до уровня серьезной теории и вполне справедливо назвал ее волновой механикой.
Огромное преимущество такого подхода перед так называемой "старой квантовой механикой" заключалось в построении ясного и предельно общего метода решения любой задачи о поведении микрочастиц. Этот метод был основан на знаменитом уравнении Шредингера для дебройлевских волн. Это уравнение связывало всякое изменение волны во времени с энергией частицы, с которой сопоставлена эта волна. Достаточно было только выяснить вид потенциальной энергии взаимодействия двух или нескольких частиц и ввести эту функцию в уравнение - дальше возникала чисто математическая (лишь в редких случаях простая!) проблема. На основе такого метода практически все задачи, которые с великими трудностями и не менее великим искусством решали создатели старой квантовой механики, в первую очередь Н. Бор и его ученики, становились едва ли не упражнениями для студентов (сейчас они входят в программу III-IV курсов университета!). Но не менее важно и то, что был расчищен путь к задачам, о которых раньше и мечтать не смели.