Альберт Эйнштейн: творец и бунтарь - [56]
Разработанная Бором теория атома Резерфорда стала одним из поворотных пунктов в физике. Она быстро принесла Бору известность среди ученых. И все же было в этой теории слабое место: в ней переплелись и классические, и квантовые представления. Сам автор прекрасно это осознавал. Многим физикам, даже достаточно авторитетным, все это показалось поначалу полнейшей бессмыслицей. В 1958 г. Бор, вспоминая это время, выразился весьма мягко: «3а пределами манчестерской группы [мои идеи] были восприняты с большим скептицизмом». Теория Бора и в самом деле вполне может быть преподнесена как явный вздор. Вдохновенный вздор. Чудо интуиции. Но пусть об этом скажет сам Эйнштейн. Осенью 1913 г. он назвал работу Бора «одним из величайших открытий» и с особым восхищением подчеркнул «грандиозное достижение» датского ученого, связавшего световое излучение с квантовыми переходами электронов, а не с их колебаниями, как это было принято считать с позиций максвелловской и даже квантовой теорий. В «Автобиографических набросках», написанных спустя тридцать лет, когда теория Бора уже давно уступила место новым идеям, Эйнштейн вспоминал об этих годах, предшествовавших первой мировой войне: «Все мои попытки… полностью провалились. Это было так, точно из- под ног ушла земля, и нигде не было видно твердой почвы, на которой можно было бы строить. Мне всегда казалось чудом, что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы позволить Бору — человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем — найти основные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов, объясняя их значение для химии. Это кажется мне чудом и теперь. Это — наивысшая музыкальность в области мысли».
В 1900 г. при выводе своей формулы излучения абсолютно черного тела Планку не удалось избежать смешения квантовых и максвелловских идей, несмотря на существовавшие между ними противоречия. В 1916 г. Эйнштейн нашел новый способ (основанный на квантовых представлениях) обходиться, по существу, без понятий, определенных в максвелловской теории электромагнетизма. Успех теории Бора продемонстрировал, что по крайней мере в том, что касается внутренней энергии, атом можно сравнить с лестницей, т. е. с рядом ступеней или уровней. Существование этих энергетических уровней в атоме было фактически подтверждено прямым экспериментом, и Эйнштейну стало ясно, что в любом случае, какая бы судьба ни постигла теорию Бора со всей — увы — присущей ей мешаниной противоречивых представлений, идея о наличии энергетических уровней, безусловно, сохранит свое значение. Исходя из этого, он избрал эту идею в качестве прочного фундамента для своей дальнейшей работы. Использовав вероятностные соображения и далее обойдясь без предположения о существовании фотонов, он обнаружил, по его собственному выражению, «поразительно простой» вывод формулы Планка для излучения абсолютно черного тела. Ему удалось даже больше: вскрылась, например, прямая связь с основной формулой теории Бора. Эйнштейн с трудом скрывал восторг, увидев, как хорошо все подходит одно к другому. Отдавая свою работу для публикации, он написал: «Она прельщает своей простотой и универсальностью». Здесь не было преувеличения. Это было вполне в духе Эйнштейна. Он справедливо относил это исследование к своим лучшим работам. Оно оказало огромное влияние на Бора, а тем самым и на весь ход развития квантовой физики.
Основная идея несложна. Эйнштейн рассматривал газ, состоящий из одинаковых атомов. Для простоты представим себе, что эти атомы обладают всего двумя энергетическими уровнями, и будем с самого начала говорить о частицах света — фотонах, — хотя у Эйнштейна не было в этом нужды. Представим себе далее, что все фотоны обладают энергией, величина которой в точности соответствует разности этих уровней. Назовем атом, находящийся на нижнем уровне, «пустым», а атом на верхнем уровне — «заполненным». Таким образом, когда пустой атом поглощает фотон, он становится заполненным, а когда заполненный атом испускает фотон, он становится пустым.
А теперь вместе с Эйнштейном сформулируем три простых правила, вернее, сначала два, а через некоторое время третье. Все три правила представляют собой квантовые аналоги соответствующих процессов, описанных Максвеллом. Пустой атом останется пустым до тех пор, пока на его пути не встретится фотон. Заполненный атом рано или поздно самопроизвольно, без какого-либо возбуждения извне испустит фотон. Не имея адекватных данных о внутренних процессах в заполненном атоме, мы не можем прогнозировать, когда именно он испустит фотон. А потому мы допускаем, что при большом числе атомов и фотонов эмиссия квантов света происходит в случайные моменты, так что можно описать эту случайность вероятностной формулой. Статистическими формулами такого рода пользовались Резерфорд и другие ученые при исследовании радиоактивного распада атомных ядер.
