Вероятностный мир - Даниил Данин

Столь проста эта схема размышлений, что она, конечно, искушала Бора. «Ничего не зная ни о каких спект ральных формулах», он тем не'менее отлично знал, что атомы разных элементов испускают разные наборы спектральных линий — разные наборы цветных сигналов. Школьным было сравнение: спектры — это визитные карточки атомов. И он понимал, что каким–то образом устройство атомов в них отражается. Но ему думалось, что прямой связи с проблемой устойчивости тут нет. Он очень поэтично объяснил историкам, что его останавливало:

— Спектры воспринимались так же, как прекрасные узоры на крыльях бабочек: их красотою можно было восхищаться, но никто не думал, что регулярность в их окраске способна навести на след фундаментальных биологических законов.

Регулярность в окраске спектральных линий водорода и описывала формула Бальмера. Перефразируя Бора, можно сказать, что никто не думал, будто эта формула способна навести на след фундаментальных физических законов.

Сам школьный учитель Иоганн Якоб Бальмер не думал этого, когда в год рождения Бора — в 1885–м — опубликовал свою формулу. Она явилась результатом долготерпения и веры в упорядоченность природы: должно же было разноцветное свечение водородной субстанции подчиняться какому–то правилу?! Были известны длины световых волн — или частоты электромагнитных колебаний — для частокола спектральных линий этого легчайшего газа. Бальмер пустился в числовую игру и получил свою формулу, ничего не ведая о механизмах излучения. А есть рассказ, по которому он вообще не думал ни о какой физике. Просто он однажды похвастался, что может найти формулу для закономерной связи любых четырех чисел, и его друг дал ему на испытание длины волн красной, зеленой, синей и фиолетовой линий водорода. Бальмер испытание выдержал. И почти двадцать восемь лет — до начала 1913 года — блестящий итог его «игры в числа» оставался физически нерасшифрованным.

Никто даже не видел, что за прозрачно–простой арифметикой бальмеровского правила призывно зияют атомные глубины.

Там, в этом правиле, из одной величины — переменной — вычиталась другая величина — постоянная, и при этом значение переменной величины зависело от смены целых чисел. Только и всего!

Стоило подставить в формулу число 3, и после вычитания получалась частота световых колебаний для красной линии спектра. А число 4 тем же способом давало частоту зеленой линии. Число 5 — синей. Число 6 — фиолетовой. А для других целых чисел линии уходили в ульт·» рафиолетовый конец спектра, глазом неразличимый.

Какая же физика отражалась в этой арифметике бальмеровской спектральной серии?

Тысячи глаз смотрели на коротенькую формулу и не прозревали. Среди смотревших и непрозревавших бывали физики высокого класса. Кажется, Бор до конца своих дней не узнал об одной истории, случившейся за семь лет до его памятной встречи с Хансеном.

…1906 год. Пасхальные каникулы. Весна в Мозельской долине. Придорожный винный погребок. На велосипедах подкатывают двое из Аахена. Старшему — под сорок, младшему — двадцать с небольшим. Они расхваливают мозельвейн. Хозяин предлагает им оптовую сделку. Старший просит в ответ книгу для гостей. А младший навсегда запоминает появившуюся там запись: «Как только я сумею объяснить формулу Бальмера, я приеду к Вам за вином!»

Хозяин смотрит на два велосипедных следа, оставленных уехавшими, и прикидывает, когда же его осчастливит ученый шутник? Но проходят дни, недели, годы, а профессор из Аахена — маленький такой, с большими усами — все не приезжает за вином. Да его уже и нет в Аахене; говорят, он давно профессорствует в Мюнхене…

То был Арнольд Зоммерфельд — тот самый, кто на 1–м конгрессе Сольвея высказал к досаде Резерфорда неверие в любые атомные модели. Но, может быть, именно из–за его нежелания мыслить моделями ему и не далась в руки формула Бальмера?!

Ставший не менее известным теоретиком его тогдаыь ний молодой ассистент Петер Дебай рассказал этот эпизод историкам в качестве забавной детали былого. Но шутливая запись Зоммерфельда звучала вовсе не весело: в ней угадывалось обещание приехать, «когда рак свистнет», то есть неизвестно когда. Иначе: проблема формулы Бальмера виделась безнадежной даже многоопытному теоретику. А начинающий датчанин просто не знал, что она существует. Не было ли в таком неведении его преимущества? (Того благого неведения, о котором говаривал Эйнштейн, когда напоминал с улыбкой, как ему доводилось кое–что открывать в природе лишь по причине незнания, что открыть этого нельзя!)

Увидев формулу Бальмера, Бор уже не мог оторвать от нее взгляда. Его осенило понимание.

То был ярчайший пример откровения — истинная находка для психологов научного творчества. Еще раз подтвердилось, что откровение нисходит только на ищущих. Как и вдохновение, оно не служит предварительным условием успешной работы, а само является первым успехом упрямого труда, когда вдруг становится «далеко видно». Слово «откровение» произнес в беседе с историками сам Бор — так он почувствовал тогда происшедшее.

А произошло вот что…

Бор увидел, что формула Бальмера, в сущности, описывает рождение световых квантов в глубинах водородного атома. Да, рождение порций электромагнитной энергии разных частот: красной, синей, фиолетовой, а там и других порций с частотами, уже не воспринимаемыми человеческим глазом.

Бору все сказали две обыкновеннейшие черты в спектральной формуле: знак вычитания «—» и чередование целых чисел 3, 4, 5, 6… Мысли надо было, право же, очень настрадаться в поисках решения, чтобы так обострилась ее восприимчивость к самым тихим намекам на возможную правду.

Знак «минус» связывал две величины: большую (переменную) и меньшую (постоянную). И оттого, что из первой вычиталась вторая, возникала порция света определенной частоты колебаний! Значит, собственная энергия атома становилась меньше на эту излученную порцию. Стало быть, переменная величина изображала в формуле энергию атома до излучения (потому она и была больше), а постоянная изображала энергию атома после излучения (потому она и была меньше).

Улетевшая порция в одном случае была малой — красный квант, в другом побольше — зеленый квант, в третьем еще больше — синий квант… И это–то зависело от целых чисел, что входили в переменную величину: 3, 4, 5, 6… Чем больше было целое число, тем солидней излученный квант. Тем выше первоначальная энергия атома, с частью которой он расставался при излучении света. Но ведь это означало нечто удивительное: это показывало, что энергия атома не могла быть какой угодно.

Она менялась не плавно, а целыми шажками — прерывисто, как, скажем, меняется нумерация этажей в доме.

Это соображение было равносильно открытию, что в атоме есть пунктирная последовательность уровней энергии.

Каждый излучаемый квант берет старт со своего уровня: красный с одного (не очень высокого), зеленый с другого (более высокого), синий с третьего (еще более высокого)… Так, для бегунов, бегущих по разным дорожкам, старты выстраивают на современных стадионах ступенчато. И нельзя срываться в бег с любого места — только с разрешенной отметки.

А что могло означать постоянство второй величины — энергии атома после излучения? Она, эта остаточная энергия, пребывала одной и той же, какой бы квант ни улетел. Разве это не указывало на существование в атоме самого низкого уровня энергии — как бы первого этажа? Так, для всех бегунов старты хоть и разные, а финишная линия — одна.

Это очередное соображение было равносильно тому желанному открытию, к которому Бор так стремился: у атома есть наинизшее устойчивое состояние с энергией, вовсе не равной нулю! Так как излучают в атоме движущиеся электроны, это показывало, что они не теряют энергию своего движения до конца — не падают на ядро. Во всяком случае в атоме водорода его единственный электрон не опускается ниже какой–то высоты над ядром. Неизвестные законы запрещают ему это сделать. Иначе в формуле Бальмера постоянная величина — энергия после излучения — не была бы конечной: вместо нее стоял бы нуль, то есть ничего не стояло бы.

Внезапно прозревший Бор почувствовал, что наконец–то он вышел на верный путь. В те дни он написал письмо манчестерскому приятелю Дьердю Хевеши, и там была взбалмошная фраза — без необходимых запятых и с лишними вопросительными знаками. Эта фраза выдавала волнение Бора:

«…И надежда, и вера в будущее (может быть, совсем близкое) огромное и непредвиденное??? расширение нашего понимания вещей…»

Неисповедимы пути познания… Бор написал эти строки 7 февраля 13–го года, а всего неделей раньше в другом письме — к Резерфорду — уверял, что «вообще не занимается проблемой вычисления частот, соответствующих линиям в видимом спектре».

Приглядевшись, по совету Хансена, к узорам на крыльях бабочек, он теперь увидел, что они–то и наводят на след фундаментальных закономерностей в атоме. Он увидел, что проблема излучения квантов электромагнитной энергии и проблема устойчивости планетарного атома — это, в сущности, одна и та же физическая проблема.