Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации
Шрифт:
= A(1/22 — 1/n2), 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
h = hA/22 — hA/n2.
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 = nh, 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 h = En — Ek. 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».
Драма квантовых идей
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».
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.
Полная формулировка Нобелевской премии Эйнштейна звучала так: «За заслуги перед теоретической физикой и особенно за объяснение закона фотоэффекта». Прямо не упомянуты ни знаменитая теория относительности, опубликованная в том же 1905 году, что и объяснение фотоэффекта, ни теория гравитации, опубликованная за шесть лет до его Нобелевской премии. При том, что Планк в своей нобелевской лекции упомянул обе как великие достижения.
Членам Нобелевского комитета можно посочувствовать. Эти несколько шведских физиков вершили суд истории, можно сказать, в военно-полевых условиях. Они опирались на мнения видных физиков мира, но решать-то приходилось самим шведам, что особенно трудно, когда мнения мировых светил расходятся. Послушаем председателя Нобелевского комитета по физике С. Аррениуса:
Нет, вероятно, современного физика известнее Альберта Эйнштейна. Более всего обсуждается его теория относительности. Она касается в основном эпистемологии и была поэтому предметом оживленных дебатов в философских кругах. Не секрет, что знаменитый философ Бергсон подверг эту теорию сомнению, тогда как другие философы горячо ее приветствовали. Теория эта имеет также астрофизические следствия, которые тщательно проверяются в настоящее время.
Примерно столько же слов Аррениус уделил эйнштейновской работе о броуновском движении, в которой видел не столько окончательное подтверждение атомизма, сколько начало коллоидной химии. А основную часть своей речи он посвятил закону фотоэффекта, к тому времени надежно подтвержденному. И в идее световых квантов увидел не столько новый шаг за пределы существующей фундаментальной физики, сколько основу для количественной фотохимии.
Надо учесть, что 63-летний Аррениус, Нобелевский лауреат по химии 1903 года, был далек от фундаментальной физики. Настолько далек, что не отличал ее от философии, а теорию относительности 1905 года от теории гравитации 1916-го.
Философы могут обсуждать все что хотят, но теория относительности к 1922 году уже работала в физике. Об этом, в частности, рассказал в своей нобелевской лекции Бор. Электроны в атоме движутся со скоростью, близкой к скорости света, и в их движении проявляется теория относительности. В результате удалось описать так называемую тонкую структуру спектров и подтвердить ее на опыте.
Как отреагировал автор теории относительности на речь Аррениуса? Он ее не слышал. О своей награде Эйнштейн узнал в Японии, где читал лекции, а принял награду от его имени посол Германии.
Свою нобелевскую лекцию «Фундаментальные идеи и проблемы теории относительности» Эйнштейн прочел полгода спустя. В ней вовсе не упомянуты кванты света или кванты энергии, а эпитет «квантовая» идет лишь вместе со словом «проблема». Он не усомнился в своей старой идее «частиц света», которые несколько лет спустя назовут фотонами. Но он — так же, как другие фундаментальные физики, — понимал, что эта эвристическая идея, плодотворно объясняя некоторые явления, сама указывает на фундаментальную проблему — необходимость построения общей квантовой теории.