Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

объяснил это движение микроскопических частиц случайными толчками наноскопических молекул. Исходя из статистического понимания теплоты, он показал, как из наблюдений за малым, но видимым объектом оценить размер и массу невидимых молекул. Эти величины совпали с полученными еще во времена Максвелла (гораздо более косвенными методами), что подтвердило и реальность молекул (в чем еще сомневались некоторые видные физики), и силу статистической физики. Планк, также опиравшийся на статистическую физику, не мог не порадоваться этому.

Однако самую первую теорию Эйнштейна — теорию фотоэффекта — Планк не принял, хотя в ней замечательно сработала его же идея порционности энергии излучения.

Явление фотоэффекта открыл Герц, обнаружив, что отрицательно заряженная пластина при ее освещении разряжается — в зависимости от частоты, то есть цвета, излучения и его интенсивности, то есть яркости. Зависимость оказалась хитрой: во-первых, разной для пластин из разных материалов, а во- вторых, эффект возникал лишь при частоте, большей некоторой определенной величины.

К 1905 году уже было известно, что в состав вещества входят электроны и что при фотоэффекте именно электроны покидают пластину. По теории Эйнштейна, чтобы вырвать из данного вещества один электрон, нужна вполне определенная энергия A, а свет данной частоты поглощается веществом именно планковскими порциями E = h. Тогда если частота света так мала, что эта порция меньше A, вырвать электрон невозможно. Яркость падающего света — это просто количество порций излучения в единицу времени. Такие порции, или кванты, света позже назвали фотонами. Из этой теории следовала вполне определенная связь между частотой падающего света, энергией вырванных фотоэлектронов и их числом. И связь эту опыты подтвердили.

Что же не нравилось Планку? Ему не нравилось, что гипотеза о порционном — квантовом — строении света не укладывалась в великолепную теорию электромагнитного поля Максвелла. Ему не нравилась и собственная гипотеза о том, что осциллятор излучает свет порциями, но там можно было думать, что речь идет о каких-то свойствах вещества, а гипотеза Эйнштейна означала, что само излучение — после свободного перелета в пространстве — сохраняет порционное строение и, вероятно, даже путешествует в виде порций. Ничего такого не было в теории Максвелла.

Прекрасно все это понимая, Эйнштейн назвал свою статью «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». К электродинамике Максвелла он относился с не меньшим уважением, чем Планк. Но считал, что планковское объяснение теплового излучения говорит о плодотворности квантовой гипотезы. А лучший способ проверить новую гипотезу — применить ее для понимания других физических явлений, не дожидаясь, пока гипотеза превратится в стройную теорию.

Планк надеялся, что подлинная теория должна обойтись без участия грубо-противоречивой порционности света. А Эйнштейн полагал, что будущая теория осмыслит и обоснует саму эту порционность, или, по-научному, дискретность. Оба не ожидали, что до построения общей теории появится еще одно мощное подкрепление квантовой дискретности и одновременно решение загадки спектров, о которой говорил еще Максвелл:

Атом — не жесткий объект. Он способен к внутренним движениям, и, когда эти движения возбуждены, испускает излучение с длинами волн, соответствующими периодам его колебаний.

Какие движения? Как возбуждены? И чем определяются длины волн?

На эти вопросы ответил Нильс Бор в 1913 году, на 13-м году квантовой эпохи и на втором году ядерной истории.

Атом, который понял Бор

Впрочем, ядерную историю можно начинать и с 1896 года, когда счастливый случай помог открыть радиоактивность урана. А чтобы понять, как интересно было тогда физикам, напомню, что само слово «радиоактивность» появилось лишь два года спустя, после открытия нового элемента — радия, который подобно урану испускал невидимое, но проницающее излучение, притом гораздо более сильное. В 1911 году, однако, появилось выражение «ядро атома».

В своем главном открытии Бор опирался на результат головокружительной серии экспериментов, проникших в устройство атома. Эти эксперименты заняли 15 лет. Чтобы уложить их в 15 минут, начать надо с того, что невидимое проникающее излучение урана в 1896 году не было такой уж сенсацией, поскольку за год до того Рентген уже открыл свои лучи — тоже невидимые для глаз, но проникающие через картон, дерево и некоторые другие непрозрачные вещества. Сенсацией для физиков было то, что эти два типа излучения явно различались между собой и были не похожи на два других невидимых излучения, известных уже целый век, — инфракрасное и ультрафиолетовое. Те были открыты при внимательном изучении полоски спектра перед ее красным краем и за фиолетовым. Глаза там ничего не видели, но действие невидимых лучей удалось зафиксировать. Излучение урана, как и рентгеновские лучи, обнаружили случайно. Первооткрыватели, однако, вполне заслужили свои удачи, обратив серьезное внимание на странные явления в своих лабораториях.

В радиоактивном излучении экспериментаторы выявили три типа лучей, назвали их первыми буквами греческого алфавита и выяснили, что альфа-лучи — это поток положительно заряженных тяжелых частиц, бета-лучи — электроны, а гамма-лучи, как и рентгеновские, оказались электромагнитными волнами очень малой длины волны.

Эти лучи-частицы, несмотря на непонятность их происхождения, стали инструментами исследования в физике микромира. Главной фигурой в этих исследованиях стал Эрнест Резерфорд, который с помощью альфа-частиц узнал, как устроен атом, — устроен в основном… из пустоты. Пропуская альфа-частицы через тонкую металлическую пленку, он обнаружил, что почти все они проходили через пленку как будто через пустоту, мало меняя направление движения, но немногие — одна из десяти тысяч — отскакивали назад, как мячики от твердой стенки. Отсюда Резерфорд сделал прямолинейно-невероятный вывод: почти вся масса атома и положительный заряд сосредоточены в очень малом объекте, который Резерфорд назвал ядром.

Исходя из этих опытов и предполагая, что альфа-частица взаимодействует с ядром, подчиняясь законам Ньютона и Кулона, Резерфорд вычислил, что ядро меньше атома в сотню тысяч раз. Тогда уже было известно, что в состав атома входят электроны, но электрон примерно в восемь тысяч раз легче альфа-частицы, и, сталкиваясь с ним, альфа-частица меняет свое движение очень мало.

Суммируя все это, Резерфорд в 1911 году предложил так называемую планетарную модель атома, согласно которой электроны вращаются вокруг ядра под действием электрической силы, подобно планетам вокруг Солнца под действием гравитации.

Модель была заведомо неправильной. Согласно электродинамике Максвелла, электрический заряд, вращаясь, непременно излучает электромагнитные волны, и если применить формулы, проверенные Герцем и подтвержденные всей радиотехникой, то окажется, что электрон излучит всю свою энергию и упадет на ядро за малую долю секунды. Не доверять «старым» законам в атомных масштабах? Но ведь размер ядра Резерфорд определил, полагаясь именно на эти законы!

Такая головоломка стояла перед физиками. Не первая головоломка квантовой эпохи. Решения предыдущих — Планком и Эйнштейном — не проясняли горизонт, но двигали к нему, решая конкретные задачи и давая новые инструменты познания.

Головоломку атома решил 27-летний датский теоретик Нильс Бор, попавший в лабораторию к Резерфорду в 1912 году, вскоре после появления планетарной модели атома.

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