Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

В физику это поколение пришло в то время, когда большие надежды сменялись горьким разочарованием, появлялись новые надежды и сменялись новыми разочарованиями. Бесспорными были лишь экспериментальные факты, бесспорными и ошеломляющими. Что же касается их толкования, то очевидным было только то, что квант действия играет в физике фундаментальную роль. Но все теории с использованием кванта, на первый взгляд удачные, давали в лучшем случае качественное согласие, а при появлении новых экспериментальных данных оказывались и вовсе несостоятельными. И физики были вынуждены вводить в теорию искусственные ограничения и дополнения, каждый раз новые, каждый раз с большим трудом подгоняя теорию к эксперименту. Все понимали, что метод подгонок — явление временное и для получения последовательной теории нужны кардинальные перемены. Это было время упорного поиска новых путей. Затрачивались огромные усилия для выхода из создавшихся затруднений и противоречий. Физика была похожа на запутанный клубок шерсти, из которого торчали несколько концов, и стоило умело потянуть за какой-нибудь конец, как тот, вначале поддавшись, дальше только сильнее затягивал и запутывал сердцевину. По словам Нильса Бора, вся ситуация в физике оставляла у него тогда чувство «грусти и безнадежности» [12, с. 845]. Новое поколение пришло в физику без чувства грусти и безнадежности. Ему не было дела до тревог и опасений своих учителей. Они пришли в науку, как рыцари без страха и упрека. Они были смелыми и веселыми, а если впадали в отчаяние, то оно было, как у детей, очень глубоким и очень коротким.

Подробный рассказ о том узком интервале времени, который предшествовал открытию квантовой механики, всего лишь об интервале с 1922 до 1925 г., — предмет отдельной книги. А сейчас, только чтобы прикоснуться к тому времени, вспомним историю с открытием спина. Тем более, что главные действующие лица в этой истории — Паули, Уленбек, Гаудсмит, Крониг — ровесники кванта и даже моложе его.

В конце прошлого века Лоренц предсказал расщепление спектральных линий в магнитном поле. В 1896 г. Питер Зееман обнаружил это явление экспериментально. В 97-м Лоренц построил теорию эффекта Зеемана. В следующем же, 98-м, году Зееман обнаружил иное и совершенно неожиданное поведение спектральных линий в магнитном поле. Это явление было названо аномальным эффектом Зеемана, и классической теорией Лоренца оно не описывалось. Но все вместе было столь впечатляющим, что в 1902 г. Лоренц и Зееман получили Нобелевскую премию. Это была вторая по счету Нобелевская премия по физике. Первая премия была присуждена Рентгену в 1901 г. И только в 1945 г. Паули получит Нобелевскую премию за работу более чем двадцатилетней давности — за открытие принципа, названного принципом Паули и введенного им для объяснения аномального эффекта Зеемана.

Вольфганг Паули (1900 г. рождения) — ученик Зоммерфельда. Ему было 19 лет, когда он впервые слушал лекцию Эйнштейна о теории относительности. Сразу после лекции Паули взял слово и сказал: «Знаете ли, то, что рассказывал нам господин Эйнштейн, вовсе не так уж глупо» [10, с. 142]. В какой-то книжке (помню только, что автор не физик) я прочитала фразу о том, что физики очень смелые люди, потому среди физиков много альпинистов и подводников, а может быть, горнолыжников. И получалось у этого автора так, что, если вы не можете взять семитысячник или спуститься напрямую с Кохты, не выйдет из вас настоящего физика. Паули не был ни альпинистом, ни подводником и в свои 20 лет был уже тучным и необыкновенно неуклюжим, настолько неуклюжим, что все, кто писал о нем, не могли обойтись без анекдотов по этому поводу. В лабораториях его боялись как огня. Самый типичный пример — это известная история о том, как однажды в Геттингене, в Институте Джеймса Франка, произошел страшный взрыв. Причину взрыва установить не могли. А потом все объяснилось просто. Оказалось, что в момент взрыва через Геттинген проходил поезд, в котором ехал Паули. Поезд сделал короткую остановку. Несколько минут присутствия Паули в миле от института было достаточно для катастрофы. Показательно знакомство знаменитого Эренфеста с молодым Паули. После первых же минут беседы мягкий и деликатный Эренфест не удержался и сказал, что печатные статьи Паули понравились ему много больше, чем он сам. На что Паули немедленно ответил, что у него возникло прямо противоположное чувство.

Итак, на исходе 1924 г. Паули объяснил аномальный эффект Зеемана, сформулировав не имеющий никаких аналогов в классической физике и казавшийся абсолютно загадочным принцип, так называемый «принцип запрета». В силу этого принципа в атоме не может существовать двух и более электронов в одном и том же энергетическом состоянии. В существующей к этому времени теории энергетическое состояние электрона описывалось тремя «квантовыми числами», соответствующими трем физическим характеристикам электрона: энергии, орбитальному моменту и проекции момента на направление магнитного поля. Все три величины квантовались. Паули к этим трем квантовым числам добавляет загадочное четвертое число, описывающее «своеобразную, классически не описываемую двузначность квантово-механических свойств излучающего электрона» [13, с. 373]. «Излучающий», или оптический электрон, — это последний электрон на внешней оболочке атома. У одновалентных веществ (водород и щелочные металлы) на внешней оболочке один-единственный электрон. Для всех остальных элементов именно количество этих внешних, оптических электронов или их недостающее число и определяет валентность вещества (так они и расположены по столбцам таблицы Менделеева).