Даниил Данин - Нильс Бор

• Название: Нильс Бор
• Автор: Даниил Данин
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1978

Эта книга — краткий очерк жизни и творчества Нильса Бора — великого датского физика-мыслителя, создателя квантовой теории атома и одного из основоположников механики микромира. Современная научная мысль обязана ему глубокими руководящими идеями и новым стилем научного мышления. Он явился вдохновителем и главой интернациональной школы физиков-теоретиков. Замечательной была общественная деятельность ученого-гуманиста — первого поборника международного контроля над использованием ядерной энергии, борца против политики «атомного шантажа»

Книга основана на опубликованных ранее материалах, обнаруженных автором в Архиве Н. Бора и в Архиве источников и истории квантовой физики в Копенгагене.

---

«…Эта работа решительно меняет современное состояние квантовой теории».

А 19-го написал самому Зоммерфельду в воюющую Германию:

«Я так благодарен Вам за Ваши крайне интересные и прекрасные статьи. Право, не думаю, чтобы когда-нибудь при чтении чего бы то ни было я испытывал большее наслаждение, чем при их штудировании, и мне не нужно говорить, что не я один, но все здесь проявили величайший интерес к Вашим важным и великолепным результатам…»

Что-то непреходяще юношеское было в этой преувеличенности чувств. И непреходяще бескорыстное тоже. Дело в том, что перед ним лежала на столе корректура его собственной новой работы: ему захотелось «рассмотреть с единой точки зрения» все, что принесла квантовая теория атомной физике. Исследование было пространным. Зимой оно поглотило у него массу времени. Корректура предназначалась для апрельского номера Philosophical Magazine. Ее ждали в типографии. А теперь ему следовало поспешно уведомить редакцию, что он снимает свою работу: больше она не давала представления о положении вещей в теории атома…

Хоть бы отголосок досадливого сожаления прозвучал тогда в его письмах! Но нет — ни тогда, ни потом этого не было. Через пять лет, уже после войны, немцы выпускали его сборник «Статьи о строении атома (1913 — 1916)». Как о своей удаче рассказал он в предисловии, что успел снять ту статью «в последний момент». И это был голос самой его натуры: он чувствовал как понимал. А понимал он, что Зоммерфельду удалось сделать принципиальный рывок вперед. И атом в самом деле оказался еще более квантовой вещью, чем это открылось ему, Бору, три года назад.

Лестница разрешенных природой уровней энергии в атоме… Бор сознавал, что мысленно увидел ее устройство лишь в общих чертах. Увидел первым. Но словно бы невооруженным глазом. И стоит повторить — он сумел различить на этой лестнице только главные ее ступени. И ввел для их пересчета последовательность целых чисел. Иначе: ввел в теорию КВАНТОВОЕ число. А в тонкой структуре спектров раскрылись новые варианты квантовых скачков. Раскрылось существование тончайшей паутины допустимых орбит, ускользнувших от пересчета с помощью уже введенной числовой последовательности. (Так для нумерации домов вдоль длинной улицы довольно одной череды номеров. Но если на месте прежних одноэтажных домов выросли многоэтажные и нужно пересчитывать их этажи, прежней чередой чисел уже не обойтись. Нужна еще другая — поэтажная. Надобно второе квантовое число.) Для описания этой-то многоэтажности боровских уровней энергии Зоммерфельд сумел сконструировать теоретическую лупу. И прежде незримое превратилось в математически предсказуемое. Опытный спектроскопист Фридрих Пашен тогда же блистательно подтвердил на тонкой структуре линий водорода и гелия предсказания мюнхенского теоретика.

А что, собственно, придумал Зоммерфельд?

Он досконально расчислил ту картину, какая год назад уже привиделась Бору здесь, в Манчестере. Электрон летит по эллипсу, как настоящая кеплеровская планета. Но оттого, что на такой вытянутой орбите огромная его скорость все время меняется — на далеких от ядра участках она меньше, на ближних — больше, — ощутимо меняется в полете масса электрона, и он не возвращается после каждого оборота на одно и то же место, а вяжет петлю за петлей, очерчивая красивую розетку. И получается, что электрон участвует не в одном, а сразу в двух периодических движениях: летит по эллипсу, а эллипс катится вокруг ядра. Два независимых вращения: одно — по орбите, другое — вращение самой орбиты. Первое квантуется по Бору: не любые орбиты разрешены, а лишь прерывистый их ряд. Очевидно, квантуется и второе: не всякое вращение орбиты дозволено — наверное, прерывистая последовательность есть и тут. (Отчего бы природе излишне лукавить?)

Вот и два квантовых числа — боровское и зоммерфельдовское. Теперь стало чем пересчитывать и главные ступени на энергетической лестнице, и малые ступеньки на ней — тонкую структуру. Но всю ли тонкую структуру?

В начале того же военного 16-го года Павел Эпштейн и Карл Шварцшильд выяснили независимо друг от друга, что этого вполне достаточно для расшифровки электрического эффекта Штарка. Однако для магнитного эффекта Зеемана — нет. Тут и двух квантовых чисел мало. (Так, на каждом этаже есть группа квартир. И недостаточно номера дома и номера этажа, чтобы их обозначить.)

Но разве только в двух периодических движениях способен участвовать электрон? Есть еще и третья возможность. Атом — объемная вещь — трехмерная. Лишь орбита электрона плоская. И пока электрон летит, рисуя на плоскости катящийся вокруг ядра эллипс, сама орбитальная плоскость может поворачиваться в пространстве. Вот и третье допустимое вращение. Очевидно, и оно квантуется. (Снова: почему бы природе излишне лукавить?) Наверняка не все положения орбитальной плоскости разрешены, а только их прерывистая череда. Она образует веер в пространстве атома. Или мелькание спиц в колесе. Их тоже нужно уметь пересчитывать. Но для этого необходимо третье квантовое число. Зоммерфельд сумел и его ввести в теорию Бора и, кажется, сам назвал внутренним квантовым числом.

Теперь прояснилось происхождение еще одной разновидности тонкой структуры в строении энергетической лестницы. И это сразу позволило Зоммерфельду вместе с Петером Дебаем описать расщепление спектральных линий в эффекте Зеемана. Ведь именно магнитное поло всегда стремится отклонить электрический заряд в сторону — под прямым углом к его пути. И потому в магнитном поле электрон начинает чувствовать, как поворачивается вся его плоская орбита. Под этим-то силовым воздействием может развернуться в атомном пространстве ветер всех разрешенных природой орбитальных плоскостей.

Правда, со сложным — аномальным — эффектом Зеемана и теперь ничего окончательно верного не получалось. По-видимому, в атоме дремали какие-то еще покуда не раскрывшиеся под теоретической лупой квантовые возможности…

…Озирая с нынешних высот уже пройденную дорогу квантового познания микромира, можно бы заметить, что движение по ней постоянно приводило к поискам все новых квантовых чисел для описания все новых квантовых — прерывистых — пунктирных черт в глубинных свойствах материи.

С поведения атома это началось.

Потом перешло на жизнь ядра.

Потом — на взаимодействие элементарных частиц.

И всякий раз это бывало отважной догадкой. (Уже после Бора прочно утвердились в теории квантовые числа «странность» и «очарование». И в этих названиях отразилась вся непредвиденность их появления.) Догадка сама — скачок мысли. И введение новых квантовых чисел, как правило, бывало прыжком через пропасть логически невыводимого.

Бор совершил первый прыжок. И темной была пропасть перед ним. Зоммерфельд — второй. Но тот берег пропасти был уже чуть посветлее…

Отчего обладали этим странным свойством квантуемости периодические движения в атоме — колебания и вращения? Объяснить это пока не сумел бы никто. Макс Борн, так много сделавший впоследствии для того, чтобы кое-что стало понятно, говорил:

«…боровская теория оставляла совершенно таинственными глубокие причины, лежащие в основе правила квантования…»

Один из тонких теоретиков нашего века, Пауль Эренфест, еще перед войной показал, какие классические величины в атоме могут принимать прерывистый ряд значений. Иначе — становиться квантовыми. Но отчего да почему должно происходить с ними такое превращение в микромире, принцип Эренфеста не объяснял.

И Арнольд Зоммерфельд в своих математических построениях к «таинственным глубоким причинам» квантования тоже дороги не проложил. У него и не было таких претензий. Однажды он скромно признался Эйнштейну:

«Вы раздумываете над фундаментальными проблемами световых квантов. А я, не чувствуя в себе нужных для этого сил, удовлетворяюсь прояснением деталей квантовых волшебств в спектрах. Меня занимают «внутренние квантовые числа», но для понимания их физической сути я ничего не могу придумать».

И в другой раз — тоже Эйнштейну:

«Все ладится, но глубокие основы остаются неясными. Я могу помочь развитию лишь техники квантов. Вы должны построить их философию…»

Выражения, свободные от гнетущей немецкой учености, расцвечивали тогдашние письма мюнхенского профессора. «Квантовые волшебства…», «Счастливая случайность…», «Не правда ли — это красиво?..», «Но вот что еще красивее…» Эти вольности, как крошечные кабинетные фейерверки, взрывались во тьме непонимания. И не освещали тьму — только озвучивали. Но слышалось в них что-то праздничное. (Как в музыке ньютоновского самосознания: «я — мальчик, играющий в камешки на берегу непознанного».) Маленькое словесное совпадение: в нобелевской речи 20-го года то же слово «волшебство» пришло на ум сдержанному Максу Планку, когда он выражал свое восхищение точностью зоммерфельдовских формул.