Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы - [9]

Он дремал, поглядывал на звезды, и тут перед ним возник образ: атом как Солнечная система — в середине ядро вместо Солнца, а вокруг крутятся электроны как планеты. Такая модель не могла быть принята современниками[4] — она противоречила теории электромагнетизма Максвелла, согласно которой любой заряд, движущийся с ускорением, в частности вращающийся, должен излучать волны и тереть на это энергию. Значит — в случае движения по окружности — падать на центр за одну миллиардную долю секунды. Но Резерфорд ее упрямо отстаивал (сотрудники называли его за упрямство, своеобразное чувство юмора и громогласность Крокодилом): атом почти пустой — ядро в 10 тыс. раз меньше атома в целом, а электроны крутятся вокруг него!

5. Нильс Бор

Это высшая музыкальность в области мысли.

А. Эйнштейн

В том же году к Резерфорду приехал на стажировку молодой датский физик Нильс Хендрик Давид Бор (1885–1962, Нобелевская премия 1922). Вся лаборатория быстро убедилась в том, что ни к каким приборам его и близко подпускать нельзя — ломались самые, казалось, прочные установки (он некогда входил в сборную Дании по футболу, и когда в 1922 г. в Стокгольме ему была вручена премия, одна датская газета написала, что «известному футболисту Нильсу Бору» присуждена Нобелевская премия). Резерфорд со вздохом разрешил ему сидеть за столом и только думать — теоретиков он недолюбливал, да и профессия такая еще как-то официально не отделилась.

Бор думал медленно, но упорно и все равно ничего не получалось: ведь по электродинамике Максвелла, гениального и неоспоримого, всякий заряд, когда его ускоряют, должен излучать электромагнитные волны, постепенно тереть энергию и замедляться, падать на ядро — такой атом заведомо неустойчив. Единственное, по сути дела, что уже установлено, но только подбором экспериментальных данных без теоретического обоснования — это комбинационный принцип Ридберга — Ритца: частоты излучений атомов (точнее всего, атома водорода) можно представить в виде серий, а все они являются разностью двух каких-то величин.

А в атоме Резерфорда электроны, если они крутятся вокруг ядра, должны все время испытывать ускорение (по Первому закону Ньютона, тело может двигаться без ускорения только по прямой линии).

Значит, кто-то не прав — или божественные Ньютон и Максвелл, или сам уже знаменитый Резерфорд!

И Бор испрашивает отпуск — он решил жениться и отправиться в свадебное путешествие в Южную Америку с красавицей Маргарет. (Она сохраняла красоту и какое-то особое благородство осанки даже в 70 лет, когда они посетили СССР.)

В подростковом возрасте Н. Бор часто присутствует на обсуждениях философии Серена Кьеркегора (1813–1855), которые его отец, профессор-физиолог, ведет дома с коллегами. В свою романах и философских эссе Кьеркегор резке полемизирует с Гегелем, с его идеями спирального развития, много говорит о прерывности, о роли скачков в истории и в природе. И имение Бор ввел скачкообразность в ранее как бы гладко протекающие физические процессы. (Позднее Бор отмечал и влияние Б. Спинозы.)

И вот с корабля Бор телеграфирует Резерфорду: решение найдено! Необходимо принять новые аксиомы: вообще говоря, все правы, но есть исключения — если электрон крутится вокруг ядра по определенным, только по строго определенным (стационарным) орбитам, то он ничего не излучает, т. е. к движению по этим орбитам законы Максвелла не применимы. А вот при переходе с орбиты на орбиту он излучает, переходя вниз, или поглощает при переходе вверх, но только определенную, согласно Планку, энергию. Вот так! (Насколько я знаю, это было единственное свадебное путешествие, внесшее такой вклад в науку!)

Это новая парадигма, новые аксиомы (1913), но Бор не только объясняет, вводя их, опыты Резерфорда, он объясняет, и притом точно, местоположения бесконечных (их путаницу называли зоологией) спектральных линий водорода — вспомните рассказ о Бальмере[5], выводит те цифры, которые Бальмер нашел простым подбором, объясняет появление и других серий линий в спектре водорода, принцип Ридберга — Ритца и т. д. И всюду при этом присутствует постоянная Планка: без нее, на основе только величин заряда и массы электрона и скорости света, нельзя образовать те численные величины, которые нужны теории (подчеркнем, что соображения размерностей и простоты всегда играют существенную эвристическую роль в теории).

Фактическое подтверждение теории Бора (это, правда, не сразу поняли) дало определение точного местоположения электронных уровней, которое установили в 1912–1914 гг. Джеймс Франк (1882–1964) и Густав Людвиг Герц (1887–1975, племянник Г. Герца, в 1945–1956 гг. жил и работал в г. Сухуми). Они исследовали столкновения электронов с атомами и показали, при каких энергиях возбуждается, а потом излучает электрон на определенной боровской орбите, тем самым они доказали и справедливость соотношения Планка между энергией и частотой кванта (Нобелевская премия 1925 г.).

Эйнштейн, с которым Бор познакомился в 1920 г., писал о нем Эренфесту: «Это необычайно чуткий ребенок, который расхаживает по этому миру как под гипнозом». Он, однако, сразу же принял и одобрил подход Бора (позже Эйнштейн как-то обронил, что схожие идеи и ему приходили в голову, но он был полностью занят разработкой общей теории относительности).