Манжит Кумар - Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

• Название: Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности
• Автор: Манжит Кумар
• Жанр: Физика

     Однажды, когда Чарли Чаплина и Альберта Эйнштейна окружила восторженная толпа, Чаплин заметил: “Меня приветствуют потому, что меня понимают все, а вас — потому, что не понимает никто”. С тех пор наука стала еще менее доступной пониманию публики. Английский журналист рассказывает о проблемах, занимавших физиков первой половины XX века, искусно соединяя описание человеческих черт “небожителей” — авторов квантовой теории — с рассказом о трудной, но веселой науке, которую они творили. Что получилось? Биография идеи, которая читается как триллер. Путеводитель по парадоксальному миру. Научно-популярная книга, которая сбивает с толку и дает почувствовать себя почти гением.

---

“Предлагаемая мною структура атома чем-то напоминает Вашу, представленную в опубликованной несколько лет назад работе”, — поблагодарил Резерфорд в ответном письме. Однако, несмотря на сходство моделей, между ними было очень важное отличие. В модели Нагаоки тяжелая положительно заряженная центральная часть занимала почти весь плоский, похожий на блин атом. А в сферической модели Резерфорда крошечное положительно заряженное ядро, сосредоточившее в себе практически всю массу атома, расположено в его центре, а сам атом остается практически пустым. Но у обеих моделей имелся неустранимый дефект, из-за которого практически никто из физиков не отнесся к ним серьезно.

Дело в том, что атом, у которого неподвижные электроны расположены вокруг положительно заряженного ядра, нестабилен: отрицательно заряженные электроны неудержимо притягиваются к ядру. Если же они вращаются вокруг ядра наподобие планет, вращающихся вокруг Солнца, атом все равно разрушится. Еще Ньютон показал, что движение по кругу всегда происходит с ускорением. А согласно теории Максвелла, если заряженная частица, каковой является электрон, движется с ускорением, она излучает электромагнитные волны и непрерывно теряет энергию. Вращающийся вокруг ядра электрон, двигаясь по спирали, упадет на ядро за время порядка одной тысячной от одной миллиардной секунды. Само существование материального мира свидетельствовало против наличия ядра у атома.

Резерфорд давно знал об этой, казалось, непреодолимой трудности. В книге “Радиоактивные превращения”, изданной еще в 1906 году, он писал: “Неизбежная потеря энергии двигающимся с ускорением электроном вызывает наибольшие затруднения при попытке понять устройство стабильного атома”53. Но в 1911 году он предпочел не обращать внимания на эту трудность: “На этой стадии не стоит останавливаться на вопросе о стабильности атома. Она, очевидно, определяется мгновенной структурой атома и движением составляющих его заряженных частей”54.

В первый раз Гейгер проверил формулу рассеяния Резерфорда быстро и недостаточно тщательно. Теперь вместе с Марсденом он потратил на измерения почти год. К июлю 1912 года результаты полностью подтвердили и саму формулу, и основные выводы теории Резерфорда55. Пройдут годы, и Марсден напишет: “Эта тотальная проверка была трудоемкой, но захватывающей задачей”56. В процессе работы они также поняли, что, с учетом ошибки эксперимента, заряд ядра атома данного элемента приблизительно равен половине его атомного веса. Это означало, что за исключением водорода, атомный вес которого равен единице, число электронов в атомах всех других элементов тоже должно приблизительно равняться половине атомного веса. Теперь можно было определить точное число электронов, например, в атоме гелия. Оно равно двум, а не двум, или трем, или четырем, как ранее предполагалось. Однако уменьшение числа электронов означало, что атом Резерфорда должен излучать энергию еще интенсивнее.

Когда Резерфорд подробно пересказывал Бору все, что обсуждалось на I Сольвеевском конгрессе, он забыл отметить, что в Брюсселе ни он, ни другие не упоминали теорию ядра атома Бора.

Сотрудничество с Томсоном, о котором мечтал Бор в Кембридже, не сложилось. Много позднее Бор назвал одну из возможных причин неудачи: “Я недостаточно хорошо знал английский и поэтому не знал, как выразить свои мысли. Я мог только указать на ошибку, но, похоже, он не нуждался в подобных указаниях”57. Томсон вообще имел дурную репутацию человека, не читающего работ и писем своих студентов и коллег. Кроме того, к этому времени он уже перестал активно интересоваться физикой электронов.

Чары Томсона развеялись. В начале декабря Бор еще раз столкнулся с Резерфордом на традиционной ежегодной встрече аспирантов Кавендишской лаборатории — шумной вечеринке с тостами, песнями и чтением лимериков, заканчивавшейся обедом из десяти перемен. Резерфорд опять произвел на Бора сильное впечатление, и последний всерьез задумался, не поменять ли Кембридж и Томсона на Манчестер и Резерфорда. Через месяц он поехал в Манчестер, чтобы обсудить эту возможность с Резерфордом. Молодой человек, решившийся на целый год разлучиться со своей невестой, отчаянно пытался сделать нечто очень важное, что могло бы оправдать его. Бор сказал Томсону, что хочет “понять, что такое радиоактивность”, и получил разрешение оставить Кембридж в конце нового семестра58. “В Кембридже, — заметил он много лет спустя, — было очень интересно, но время было потрачено абсолютно впустую”59.

Бору оставалось провести в Англии всего четыре месяца, когда в середине марта 1912 года он приехал в Манчестер. Здесь он собирался прослушать семинедельный курс по технике экспериментов с радиоактивными веществами. Времени было очень мало, и все вечера Бор проводил, пытаясь понять, как физика электронов может помочь лучше разобраться в свойствах металлов. Под руководством Гейгера и Марсдена он успешно окончил курс, и Резерфорд предложил ему выполнить небольшое самостоятельное исследование.

“Резерфорд — человек, в котором невозможно ошибиться, — писал Бор Харальду. — Он регулярно заходит, чтобы поинтересоваться, как идут дела, и обсудить все до мельчайших подробностей”60. В отличие от Томсона, совсем, по мнению Бора, не обращавшего внимания на учеников, Резерфорд “интересуется работой всех своих сотрудников”. Он обладал сверхъестественной способностью распознавать таланты. Одиннадцать его учеников и несколько соавторов стали лауреатами Нобелевской премии. Когда Бор появился в Манчестере, Резерфорд написал одному из друзей: “Бор, датчанин, выбрался из Кембриджа и явился сюда, чтобы поучиться работать с радиоактивностью”61. Тогда Бор еще не сделал ничего такого, что отличало бы его от энергичных молодых людей, работавших в лаборатории Резерфорда, кроме одного — он был теоретиком.

Вообще-то Резерфорд не очень ценил теоретиков и никогда не упускал возможности пройтись на их счет. “Они играют со своими символами, — сказал он однажды коллеге, — а мы добываем действительно неоспоримые факты, объясняющие устройство природы”62. Другой раз, когда его пригласили прочесть лекцию о направлениях развития современной физики, он ответил: “Я не могу прочесть целую лекцию об этом. Единственное, что я мог бы сказать, так это то, что физики-теоретики подняли головы, и самое время нам, экспериментаторам, помочь им опустить их”63. Однако двадцатишестилетнего датчанина он сразу полюбил: “Бор другой. Он играет в футбол”64.

Каждый день к вечеру работа в лаборатории останавливалась. Все аспиранты и сотрудники собирались поболтать за чаем, к которому подавались пирожные и бутерброды. Резерфорд посещал эти собрания. Он восседал в кресле и был готов поддержать разговор на любую тему. Чаще всего, впрочем, говорили о физике, в частности об атомах и радиоактивности. Резерфорду удалось создать на этих собраниях атмосферу открытости и дружелюбия, и там никто не боялся говорить — даже новички. Душой компании был Резерфорд. Бор знал, что он всегда готов “выслушать любого юнца, когда было ясно, что у него на уме хоть что-то есть”65. Единственное, чего не выносил Резерфорд, так это “напыщенности”. Говорить на этих собраниях Бору нравилось.

В отличие от Эйнштейна, свободно говорившего и писавшего, Бор (неважно, говорил ли он по-датски, по-английски или по-немецки) часто останавливался и подбирал слова. Бывало, во время разговора Бор просто думал вслух, пытаясь прояснить для себя какой-то вопрос. Именно за чаем он познакомился с Дьёрдем (Георгом Карлом) фон Хевеши, который в 1943 году получил Нобелевскую премию по химии за работу по использованию изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов. Его работы широко используются для диагностики в медицине, они нашли широкое применение в химии и биологии.

Чужие в стране, языком которой им еще предстояло по-настоящему овладеть, они быстро стала друзьями. Их дружба длилась всю жизнь. “Он знал, как помочь иностранцу”, — сказал о Хевеши Бор, вспоминая, как этот молодой человек, всего на несколько месяцев старше его, помог ему включиться в жизнь лаборатории66. Именно разговоры с Хевеши, рассказавшим Бору, что число открытых новых радиоактивных элементов уже таково, что в периодической таблице для них не хватает места, заставили его задуматься о том, как устроены атомы. Даже названия этих “радиоэлементов”, появляющихся в большом количестве при радиоактивном распаде атомов, отражали некоторую неуверенность и замешательство в определении их истинного места в мире атомов. Это были уран X, актиний В, торий С и другие. Но, как сказал Хевеши, возможно, у этой проблемы есть решение. Его предложил Фредерик Содди, работавший в Монреале с Резерфордом.