Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Но движение по замкнутым орбитам — это движение по кривым, движение с непрерывными поворотами, с неизбежным излучением, с потерями энергии, с неминуемым падением по спирали на неумолимо притягивающее ядро.

Можно было подвергнуть сомнению две вещи — или неумолимость притяжения, или неизбежность излучения. Однако сомневаться во взаимном притяжении положительных и отрицательных зарядов не позволяли ни опыт, ни логика. Опыт подтверждал это постоянно, начиная с той легендарной поры, когда древние греки натирали янтарь и притягивали натертой палочкой всякую мелкую всячину. Само понятие электричества пошло отсюда, потому что по-гречески янтарь — «электрон». Стоней только вспомнил это слово, когда решил в 1891 году дать название еще не открытому гипотетическому единичному заряду. А логика говорила: если нет притяжения со стороны ядра, тогда электроны — вольные птицы, тогда вообще нет атома и не из-за чего копья ломать.

Оставалось усомниться в неизбежности излучения. Вот этой неизбежности вовсе не требовала логика и ее не подтверждал опыт. На ней настаивала лишь старая теория. Логика говорила: если излучение неизбежно, то атом обречен, а так как он устойчив, то, очевидно, такой неизбежности нет. Опыт вопрошал: если излучение обязательно, то оно должно происходить непрерывно, но тогда отчего же спектры атомного излучения прерывисты? Отчего разные атомы дают разные цветовые наборы отдельных спектральных линий?

Дело в том, что атомы действительно излучают световую энергию. Мы живем в разноцветном мире. Мириады сигналов о маленьких актах преломления, отражения, излучения света приходят к нам со всех сторон, ото всех веществ. Нет смысла гадать, как выглядел бы наш мир, если бы все атомы на протяжении всей своей жизни непрерывно излучали свет: зрелище такого мира, сотканного из обреченных атомов, было бы кратко, как мгновенный промельк кадра на вдруг оборвавшейся киноленте.

Да, атомы излучают. Но совсем не так, как полагалось бы по прогнозам старой теории.

Нужно ли рассказывать, почему в гранях призмы возникает радуга? Световые лучи разной частоты электромагнитных колебаний по-разному преломляются призмой и, входя в нее параллельным пучком, выходят веером. Физики пропускают смешанный световой поток через узкую щель, он падает на призму, и за нею — на экране или на фотопленке — появляется веер изображений щели: каждый луч определенной частоты дает свою фотографию щели — узкую полоску. Это и есть спектральная линия. Когда в смешанном потоке присутствуют лучи любой длины волны, в спектральном веере уже нельзя различить отдельных линий — следуя непрерывно друг за другом, они сливаются в одну сплошную полосу, красную на одном конце и фиолетовую на другом. Они сливаются в радугу.

Так выглядит спектр непрерывного излучения. Но атомные спектры выглядят вовсе не так. Они пунктирны: на темном фоне фотопластинки выстраивается частокол из отдельных линий. Для каждого элемента — свой частокол, строго свой!

Задолго до открытия электрона физики стали собирать коллекции атомных спектров. Это были, говоря шутливо, документы к «Делу об атоме», хотя сам подследственный еще оставался неуловимым. Ученые сравнивали разные спектры, измеряли длины волн для каждой спектральной линии, искали и находили закономерности их чередования. Но не имели при этом ни малейшего представления о том, как рождаются спектры. Наш известный физик-теоретик Яков Ильич Френкель лет тридцать назад писал, что «недаром с легкой руки Эйнштейна эта область физики… получила несколько презрительное название зоологии». Спектроскопия была похожа на столичный зоопарк, где рассаживают по клеткам, живую тварь всех видов, подвидов, мастей, ничего не зная о происхождении самой жизни. Но эта зоологическая стадия неминуема в любой науке. В атомной физике она была только уж очень подчеркнуто выражена.

Истинная модель атома обязана была объяснить, наконец, происхождение спектров. Иначе, о какой же истинности можно было бы говорить? Не о второстепенных деталях в поведении атомов рассказывали спектры, а о самом главном — об излучении электромагнитной энергии из атомных глубин, о переходах этих сложных микромиров из одного энергетического состояния в другое.

Атом Резерфорда выдержал такое испытание на истинность. Провел испытание Нильс Бор.

Не слишком ли долго топтались мы на подступах к новым неклассическим идеям внутриатомной механики? Не забыли ли мы зарок — не влезать в подробности? Может быть, грех и был, но есть и оправдание: при знакомстве с наукою нашего времени, — хочется повторить это, — труднее всего поверить в обязательность ее странных представлений о многих вещах. Я не беру в кавычки слово «странных», потому что именно такими кажутся часто современные физические представления. И нередко у людей XX века возникает сомнение: быть может, все-таки это не сама материя устроена так странно, а только головы физиков? Чтобы рассеялись эти сомнения, надо хоть на минуту почувствовать себя свидетелем рождения новых физических идей — побродить хоть недолго у самых истоков реки Непонятного. Тогда легче увериться, что даже наиболее причудливые черты в физической картине движущейся материи выдумала и тонко прорисовала своим вечным пером сама природа, а ученые если в чем и повинны, то лишь в непредвзятой зоркости.

Ради того, чтобы сполна почувствовать это, стоило бы и еще потоптаться на подступах к самому трудному подъему в затеянном нами путешествии по миру элементарных частиц. Избежать этого подъема нельзя. Но нет, наша цель не карабкаться вслед за учеными, а только понять, что они-то не могли не преодолевать крутизны! Так надо по крайней мере закинуть голову и увидеть, что готовой дороги не было, надо хоть взглядом смерить высоту…

Начинался подъем полого.

Нильс Бор сделал самое естественное предположение: раз атомы устойчивы, значит есть в атомном пространстве пути, двигаясь по которым электроны вовсе не излучают — не теряют энергии и потому-то не падают на ядро.

Какие это пути — любые? Ясно, что нет! Если бы неизвестные законы атома запрещали электронам излучать энергию на любом пути вокруг ядра, атомы вообще никогда не испускали бы световых волн. А как же тогда спектры?

Откуда они берутся?

Факты и логика заставили Бора прийти к простой, но неожиданной идее: атом устроен природой так, что среди бесконечного обилия всех мыслимых электронных путей существует набор устойчивых орбит. Пока электроны вращаются вокруг ядра по этим орбитам, атом пребывает в неизменном энергетическом состоянии. На таких избранных путях электроны действительно ведут себя, как идеальные планеты: они движутся, не теряя энергии. И весь атом в таких устойчивых состояниях действительно подобен солнечной системе: планеты-электроны подчиняются законам классической механики.