Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Перед мысленным взором де Бройля маячили разрешенные орбиты электронов в атомном пространстве. Расчисленные в 1913 году Нильсом Бором, эти орбиты спасли планетарную модель Резерфорда. Но физики уже десять лет задавали себе вопрос — почему одни орбиты разрешены природой, а другие нет? Почему они образуют прерывистую последовательность, как ряды в круговом амфитеатре цирка или нити в паутине? Что вынуждает электроны к скачкам с одной устойчивой орбиты на другую? Почему в атоме создается лестница дозволенных уровней энергии — почему лестница, а не пандус?

Как ни удивительно, но именно в этой-то прерывистости атомных состояний де Бройль почувствовал намек на волновые свойства вещества. Это удивительно потому, что ведь во всякой волне что-то меняется непрерывно. А в атоме как раз наоборот — господствует прерывистость. Так где же здесь можно было заподозрить вмешательство каких-то волновых процессов?

Однако вот мы сидим на морском берегу и от нечего делать считаем набегающие волны — одна, другая, третья… Мы их считаем, но нам и в голову не приходит, что своим прерывистым счетом мы внешне описываем непрерывный процесс. А прислушайтесь к тиканью часов. Это ведь непрерывные колебания невидимого маятника пунктиром отмеривают для нас время. У волн и колебаний — одна и та же существеннейшая черта: периодическая повторяемость, внешняя дробность.

Но подождите, к квантовым скачкам такая дробность еще не имеет никакого отношения — ни малейшего! Это мы, наблюдатели, перескакиваем взглядом с гребня на гребень или слухом — с «тика» на «так», а. в самом-то волнообразном движении морской воды и в самих-то качаниях маятника непрерывность не нарушается нигде. Ну, а боровские перескоки электронов в атомах — это настоящие прыжки с испусканием неделимого кванта энергии излучения. Половины или восьмушки кванта атом ни излучить, ни поглотить не может: об этом говорят прерывистые атомные спектры и другие многочисленные свидетельские показания опыта. Между двумя квантовыми уровнями энергии в атоме никаких промежуточных, разрешенных природою уровней нет. Электрон действительно скачет через пропасть невозможного. Это совсем не похоже на перекатывание по волне с гребня на гребень.

И все же между этими столь несхожими картинами де Бройль увидел глубокую связь. Глубокую и очень простую.

Он подумал: а не сопутствует ли движущемуся электрону какая-то волна? Нет, глагол «сопутствует» не точно выражает мысль, осенившую де Бройля. Он подумал: не связан ли электрон с какой-то волной, которая как бы ведет его — управляет его движением? Тогда в поведении электрона, как частицы, должно невольно отражаться поведение этой пока неведомой волны.

Вызовите снова в своем воображении образ крошечной солнечной системы. Вот электрон пролетает мимо вас по одной из разрешенных природой орбит. Совершив полный оборот (вокруг ядра, он вновь появится перед вами в той же точке, где вы его засекли. Он появится, ничего не приобретя и ничего не потеряв, как настоящая планета: извне к нему энергии не притекало, и сам он энергии не излучал — орбита устойчивая, разрешенная. Естественно, что и предполагаемая волна, которая вела электрон, должна выглядеть в отмеченной точке совершенно так же, как в начале оборота: если был у нее в нашей точке гребень, то и теперь, через полный оборот, когда она перекатилась по всей орбите, у нее снова должен быть гребень. А если была, скажем, середина ската, то и через оборот должна снова появиться середина ската. Иначе, отчего бы при возвращении электрона в ту же точку его состояние оставалось прежним? Ведь если в поведении электрона отражается поведение его волны, а она к концу оборота не совпала сама с собой, то, значит, в жизни электрона что-то изменилось за это время. А между тем не изменилось ничего: он летел по устойчивой орбите.

Но орбита не прокладывается для электрона кем-то заранее. Она не подвесная железная дорога, опоясывающая на нужной высоте ядро, так что электрону остается только смирно катиться по ней. Электрон сам прочерчивает в атомном пространстве эту устойчивую, «боровскую трассу». Так вот, мы вправе сказать, что, по мысли де Бройля, разведчиком такой трассы служит для электрона связанная с ним волна.

Он мчится устойчиво по таким кругам или эллипсам, по которым может прокатиться за один оборот только целое число его волн: одна, две, три или двадцать три — это не важно. Важно лишь, чтобы на замкнутом пути вокруг ядра умещалось обязательно целое число электронных волн. Тогда в той точке, где вы заметили гребень, через оборот снова будет гребень. И через тысячу оборотов тоже гребень, а не впадина волны и не середина ее ската. А значит, и с электроном ничего не будет происходить, пока он вращается по такой орбите.

Вот по каким путям дебройлевокая волна-разведчица ведет электрон! Немного позднее, уже в разгар отчаянных споров вокруг идей квантовой механики, де Бройль назвал ее «волной-пилотом». Так нащупал он возможный принцип, по которому природа разрешила одни орбиты и запретила другие: разрешены те, в которых укладывается целое число электронных волн.

Тогда сразу делается ясным — отчего в атоме возникает лестница устойчивых состояний. Две дозволенные боровские орбиты не могут тесно прилегать одна к другой: будь они бесконечно близки, они бесконечно мало отличались бы по длине. А это-то как раз и невозможно — одна должна быть длиннее другой по крайней мере на целую электронную волну! Если это круги, между ними появится кольцевой просвет. Иными словами, устойчивые пути электрона в атоме действительно должны быть раздвинуты, как ряды в амфитеатре цирка, который отличаются друг от друга на целое число кресел — не на полкресла или на треть, а на целое — только целое! — их число.

Тогда ясно и другое, самое главное: перейти с орбиты на орбиту постепенным переходом электрон действительно не может: он вынужден перескакивать через пропасть неустойчивости единым махом — одним прыжком.

…Так пригодилось физике, казалось бы, вполне бессодержательное, праздное занятие — пересчитывание набегающих волн: одна, другая, третья… В еще никем не наблюдавшейся и не возвещенной никакими опытами волновой природе электрона Луи де Бройль разглядел возможную причину квантовой прерывистости состояний атома — квантовой лестницы уровней энергии в нем.

Как и прежде, нам не до подробностей. Как и прежде, нас всего менее увлекает то, что всего более занимает физиков: те разнообразные детали научного познания, в которых гнездятся подвохи и каверзы, те «мелочи», на которых часто спотыкаются в своем победном шествии новые теории. Но то, чего нельзя здесь пропустить, вовсе не детали, а, пожалуй, самое существенное.