Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Прерывистый ряд разрешенных орбит… Прерывистый ряд разрешенных запасов энергии… Вот какие странные черты Проступили на смутной картине внутриатомной жизни, когда физики смогли, наконец, после открытия электрона пристально вглядеться в древнюю — «неделимую и простейшую» — крупицу материи. Но это было лишь началом неожиданностей.

Прерывистость состояний. Порции энергии. Скачки.

Что-то знакомое чувствуется за всем этим, не правда ли? Конечно! Тотчас вспоминаются кванты Планка и фотоны Эйнштейна. Сейчас от этого уже веет запахом истории — новой устоявшейся классикой самого XX века. Но в 1911–1913 годах молодому Нильсу Бору не пришлось копаться в своей памяти, чтобы вспомнить о порциях энергии и частицах света: они были спорной злобой дня, большинство физиков вообще не верило, что кванты существуют на самом деле, а не только в теории.

В ту пору даже слово «фотон» еще никем не было произнесено. Хотя это понятие Эйнштейн уже и ввел в науку в 1905 году, но слово еще не появилось. Со световой частицей произошла история, прямо противоположная той, что случилась с атомом электричества: электрон был сначала назван, а потом открыт, фотон был сначала открыт и лишь потом назван. Кванты света удостоились крещения — как настоящие частицы! — только через два с лишним десятилетия после своего рождения в науке. Фотонами их впервые назвал в 1926 году малоизвестный физик Н. Льюис.

Бор заглянул в самые глубины старого союза между светом и электричеством. Он увидел, что электроны и кванты света связаны родословными. Две первые элементарные частицы материи соединенными усилиями приоткрыли перед физиками ворота во внутриатомный мир. Бор заметил раньше других, что дорога больше не загорожена.

…Если не скучно, перелистайте страницы первой части этого рассказа и найдите то место, где шел разговор о скачкообразном рождении фотона. Теперь вы видите, что, по Бору, излучение рождается в атомном пространстве действительно скачками. Внутри атома, в одной из тех природных лабораторий, где может создаваться фотон, нельзя уследить за процессом его создания: атомы теряют энергию не постепенно, а сразу, и бессмысленно рисовать себе какой-то «период созревания» кванта.

Так хочется спросить: а сколько длится скачок с одного уровня энергии на другой? Что происходит с электронами в пространстве между орбитами? И что такое эти разрешенные орбиты, которые подхватывают электрон в его падении?

Конечно, физику можно задавать любые вопросы. Но в ожидании ответа стоит подумать, что каждый свой вопрос мы на самом деле адресуем природе. Она готова отвечать на все — можно еще раз повторить: у нее нет секретов. Однако мы бываем неосмотрительны в своем любопытстве. Природа вообще промолчит в недоумении, если полюбопытствовать, какова, например, толщина кванта? Можно растеряться, услышав: «Отчего это у вас голос зеленый?» Толщина кванта — то же, что цвет голоса: неизвестно, что имеется в виду. Но рядом с вопросами неосмысленными существуют вопросы преждевременные. Не то чтобы у природы не было на них ответа, нет, просто люди еще не умеют услышать ее голос.

Атом, каким его увидели Резерфорд и Бор, не мог удовлетворить любопытства, которое он сам возбудил в современниках. Это потому, что он t был лишь приближенной моделью реального атома. Но наука не двигалась бы вперед, если бы в каждой теории не оставалось темных мест.

Пожалуй, самым темным местом в атоме Бора были скачкообразные переходы атома из одного состояния в другое.

Почему такие переходы вообще происходят, понять нетрудно: всему в природе свойственно стремление к наибольшей устойчивости. А устойчивость тем надежней, чем меньше запас энергии в теле — в любой физической системе. Энергия — это как бы ее внутренняя взбудораженность, нерастраченная способность к активности. «Возбужденный атом» — тут эпитет взят словно бы из психологии или из беллетристики. Но это выражение давно стало физическим термином.

Когда в черенковском счетчике летит сквозь жидкость сверхскоростная заряженная частица, что она делает согласно тому представлению, что свет излучают при этом атомы среды? Она снабжает лишней энергией встречные электроны этих атомов. Она как бы перетаскивает атомные электроны на более высокие орбиты. На разрешенные орбиты, а не куда попало. («Куда попало» — это когда электронам передается так много энергии, что они вообще покидают атом, выходят из-под власти его законов и становятся свободными, оставляя позади уже не атом, а заряженный ион). Летящая частица оставляет у себя в тылу цепочку возбужденных атомов. И хотя на каждой разрешенной орбите электрон может вращаться устойчиво, не теряя приобретенной энергии, весь атом в целом постарается от непрошеного избытка энергии освободиться. И он это сделает! — великое стремление к наибольшей устойчивости неодолимо.