Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной - [32]
Чтобы построить модель атома, учтем влияние ядра на возбуждения электронного поля, содержащего достаточно электронов, чтобы сбалансировать положительный электрический заряд ядра. При такой «конструкции» точные уравнения для электронного поля могут оказаться достаточно сложными, поскольку должны учитывать как влияние ядра на электроны, так и влияние электронов друг на друга. Это начало долгой истории ядерной физики и химии, строящихся на фундаментальных принципах. Многие талантливые люди посвятили всю жизнь исследованиям тех или иных разделов этих наук.
Однако наша цель и более глобальна, и более ограниченна. Мы хотим в самом общем виде понять, что собой представляют наиболее важные гипотезы атомной физики и как они связаны с основами мироустройства. Если исходить из этого, главный вывод атомной физики удивительно прост: изучая цвета испускаемого атомами света, мы можем собрать обширную, детальную информацию об их устройстве.
Набор цветов, которые испускает атом, называется спектром, а его изучение — спектроскопией. Спектроскопия — один из самых мощных инструментов, дающих нам возможность общаться с природой. Его можно использовать для изучения не только электрически нейтральных атомов, но и молекул, ионов и вообще всего, что испускает фотоны.
В 1913 году, еще до того как квантовая механика обрела свою современную, совершенную форму, Нильс Бор сформулировал правила, ограничивающие допустимые значения энергий атома водорода. Правила Бора появились неожиданно — в результате вдохновенной догадки. Предсказанный им спектр точно совпадал с имевшимися экспериментальными данными, что было не так уж удивительно: правила и строились с учетом этих данных. Больше удивляло то, что модель Бора помогла сделать дополнительные предположения и все они оказались правильными. Когда на семинаре Эйнштейн впервые услышал об этом замечательном подтверждении теории Бора, он был явно потрясен и сказал: «Тогда это одно из величайших открытий».
Головокружительный успех Бора привел к важным последствиям: начался поиск более общих, логически последовательных квантовых условий. Сегодня правила Бора, как и формулу Планка — Эйнштейна, мы считаем предшественниками современных квантовых условий.
Эйнштейн говорил, что работа Бора — «наивысшая музыкальность в области мысли»[66]. И все же ее преемница — современная квантовая механика — существенно гармоничнее. Сходство ее уравнений с уравнениями, описывающими звуки музыки, поражает.
Если говорить конкретнее, уравнения электронного поля вокруг ядра напоминают уравнения гонга, изготовленного из странного материала. Оставаясь в рамках этой метафоры, можно сказать, что спектр цветов, испускаемых атомом, соответствует звуковому спектру гонга. Оба отражают устойчивую структуру колебаний своих «инструментов». Но они не предназначены для музыки, это не ноты какой-то имеющей смысл гаммы. А если речь не об одном электроне, спектр разрешенных колебаний может быть особенно сложным.
Спектры атомов абсолютно конкретны, и, в принципе, их можно рассчитать. Их упорядоченная сложность — подарок рациональному мышлению человека. Поскольку разные типы атомов испускают разные спектры света, эти спектры — своего рода подпись атома, его дактилоскопический отпечаток. Таким образом, просто оглядываясь вокруг — и уделяя особое внимание цвету, — можно изучить поведение атомов, далеко отстоящих от нас в пространстве и времени. Космос становится огромной, хорошо оборудованной химической лабораторией. По этой причине спектроскопия — основа астрофизики и космологии.
Кроме того, спектроскопия позволяет нам проверить основополагающие представления о мире. Поскольку точные теоретические расчеты спектров (когда удается их выполнить) пока согласуются с результатами экспериментов, есть уверенность, что сформулированные нами законы правильны. А поскольку до сих пор астрономы и химики, куда бы и когда бы они ни поглядели, видели один набор атомных спектров, мы делаем вывод, что одни и те же законы действуют на одни и те же исходные вещества везде во Вселенной и во все времена.
Замечательные результаты моделирования атомов и спектроскопии — следствие смелого предположения, согласно которому у атомов есть крошечное ядро, где сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса. На волне этого успеха фундаментальная физика обратилась к следующему вопросу: что представляют собой ядра? Начались полные сюрпризов, взлетов и падений исследования, игравшие главную роль в физике почти все двадцатое столетие. Чтобы поскорее перейти непосредственно к основным открытиям, я опущу почти всю эту историю. Если вы захотите больше узнать о ранних этапах становления ядерной физики, ее неожиданных, изменивших мир побочных результатах, прочтите книгу Ричарда Роудса «Создание атомной бомбы»
