Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Счастливой идеей Бора было связать устройство атома с главным внешним проявлением «внутренних движений атома», о которых говорил Максвелл, — со спектрами излучения и поглощения. Спектры изучали уже почти век. Многие сотни высокоточных измерений, записанных в таблицах, что-то говорили об устройстве атомов, но не известно, на каком языке. Бор был не первым, кто всматривался в колонки цифр — спектральных частот — в надежде уловить какую-то закономерность. Единственный успех достался школьному учителю математики Бальмеру, который еще в 1885-м подобрал формулу, дающую положение некоторых спектральных линий водорода:

ν = A( 1 /2 2 — 1 /n 2 ), где A — некоторая константа , n = 3, 4, 5, …

Почему именно такая формула и что делать с остальными линиями, было неизвестно еще четверть века, пока эту формулу не увидел Бор. Смотрел он вооруженным глазом — вооруженным квантовыми идеями Планка и Эйнштейна. И увидел, что если умножить эмпирическую формулу Бальмера на постоянную Планка h , то получится, что квант энергии излучения частоты равен разнице каких-то двух энергий

hν = hA /2 2 — hA /n 2 .

За этим последовал очередной — в истории фундаментальной физики — взлет теоретического разума, и Бор изобрел два постулата, управляющие «внутренними движениями атома»:

1. Электрон в атоме может двигаться со скоростью V лишь по круговым орбитам с радиусом r , когда mVr = n h, n — любое целое число, m — масса электрона; при этом скорость V и энергия E электрона на данной орбите определяются старыми законами механики и номером орбиты n .

2. При перескоке электрона с орбиты на орбиту излучается или поглощается квант электромагнитной энергии hν = E n — E k . При перескоке на нижний уровень энергия излучается, при перескоке на верхний — поглощается.

Боровская модель атома дала ключ к пониманию спектров и других атомных свойств и стала шагом к созданию общей квантовой теории, способной объяснить атомы более сложные, чем водород, и свойства более сложные, чем спектры.

Оценить изобретение Бора по-настоящему могли лишь те его современники, что усиленно пытались понять явления атомного масштаба, как, например, Эйнштейн, вспоминавший тридцать лет спустя:

Все мои попытки изменить теоретический фундамент физики с учетом результатов Планка полностью провалились. Словно земля ушла из-под ног, и не было твердой почвы, на которой можно строить. Чудом казалось, что этой шаткой и противоречивой основы хватило Бору, с его уникальной интуицией, чтобы найти главные законы спектральных линий… Это мне кажется чудом и сейчас. Это наивысшая музыкальность мысли.

А Планк в своей лекции при получении Нобелевской премии, назвав атомную теорию Бора главной поддержкой «квантовой гипотезы», подчеркнул, что «подлинной квантовой теории все еще нет», и предсказал, что «путь, который предстоит проложить исследователю, не меньше пути от открытия Ремером скорости света до создания теории света Максвеллом».

От измерения скорости света до открытия его физической природы прошло два столетия. И лишь десяток лет отделял приведенные слова Планка от создания квантовой механики — первой квантовой теории, нацеленной не на какое-то одно явление или объект. Планк, Эйнштейн и Бор получили свои нобелевские награды в 1919–1922 годах за объяснения отдельных явлений — в формулировках Нобелевского комитета, Планк — «за открытие квантов энергии», Эйнштейн — «за объяснение фотоэффекта», Бор — «за исследование строения атомов и их излучения». А создатели квантовой механики — Гейзенберг, Шредингер и Дирак — получили Нобелевские премии в 1933 году.

Однако, если мерить путь не годами, а поворотами — числом поворотных идей и, значит, уровнем драматизма, прогноз Планка оправдался. Драматизм проявился уже в самих нобелевских формулировках.

Вопреки Нобелевскому комитету, Планк считал, что его главное открытие — не кванты энергии, а квант действия, то есть константа h . Именно выражение «квант действия» он в основном использовал в своей нобелевской лекции, а «кванты энергии», с которыми он так и не примирился, числил за Эйнштейном. Похоже, Планк надеялся, что в «подлинной квантовой теории» ключевым станет обновленное понятие действия, как-то обобщенное константой h , и тогда можно будет забыть противоречивое — промежуточное — представление о квантах электромагнитной энергии, или квантах света.