«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Квантовые 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 взбудоражённость, нерастраченная способность к активности. «Возбужденный атом» — тут эпитет взят словно бы из психблогии или из беллетристики. Но это выражение давно стало физическим термином.

Когда в черепковском 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 стайовятся 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.

Электрон сорвется с высокого уровня и упадет «вниз» — поближе к ядру. Атом излучит свет.

В атомах любого вещества чем глубже падение, тем солидней излученный квант — тем выше частота череды одинаковых световых волн в фотоне. Как глубоко упадет электрон? Очевидно, по крайней мере до ближайшей из разрешенных природой орбит. А в атоме водорода, где возбужденный электрон вообще единственный, не упадет ли он прямо на ядро? Нет, еще до ядра ему встретится последняя на пути к ядру, ближайшая к центру атома, дозволенная природой орбита. Вот на ней-то электрон будет находиться на самом низком из разрешенных уровней энергии. Желанная наибольшая устойчивость будет достигнута.

Так получают в лаборатории атомные спектры — они и называются «спектрами возбуждения». Крупинка обычной столовой соли тотчас окрашивает пламя газовой горелки в желтый цвет: это возбужденные энергией пламени электроны атомов натрия буквально на наших глазах возвращаются в устойчивое положение. Множество различных квантов от разных натриевых атомов покидает крупинку, но среди них больше всего квантов желтого света. Для натрия— это кванты самого глубокого падения электронов. И мы убеж* даемся в этом даже без спектрографа. А чуткий прибор показал бы на фотографии еще и другие, более слабые линии натрия — линии других возможных перескоков.

Что же темного в квантовых скачках? Казалось бы, напротив — все выглядит так геометрически зримо, что, честное слово, хотелось бы навсегда закрепить в физической картине микромира этот тонкий рисунок — паутину орбит вокруг ядра и легкие перескоки почти невесомых электронов. В пространстве боровского атома и вправду царила «высшая музыкальность»: там словно бы воочию было видно, как на струнах расчисленных орбит «'природа играет спектральную музыку». Так писал об атоме Бора не легкомысленный и восторженный поэт, а строгий теоретик Зоммерфельд.

Но музыка длится во времени, и звуки льются в пространстве. Все в природе длится и простирается! А квантовые скачки?

Нам, исповедующим диалектический материализм, понятие скачка представляется совершенно естественным. Смущает ли кого-нибудь разговор о скачкообразных процессах в истории человечества? Мы свыклись с этим, хотя процесс— непрерывное течение событий, а скачок — нарушение непрерывности, и, казалось бы, одно исключает другое.

Нет, не исключает, потому что «непрерывность» и «скачок» относятся тут к разным вещам. Непрерывность — к календарному ходу жизни, к не знающей перерывов смене дней и ночей, работы и сна, бурь и затиший. А скачок—к внутреннему содержанию, к изменению качества и смысла по-прежнему непрерывно длящейся жизни общества и людей. Революции — скачки в истории, но вместе с тем они — непрерывные цепи событий. И потому у каждой революции есть собственная история, которую можно описать во времени и пространстве.

Квантовые скачки в природе — нечто совсем другое. Каждый скачок — событие, которое уже нельзя разложить на звенья отдельных физических происшествий. Когда атом переходит скачком из одного состояния в другое, то он не переживает никакой череды промежуточных состояний. Таких состояний нет — просто нет! Природа их не предусмотрела. Тут зияющий провал в непрерывности.

Если бы перескок электрона хоть как-нибудь внутренне членился на маленькие шажки, между разрешенными уровнями энергии располагались бы новые уровни — тоже ведь разрешенные, раз электрон их проходит! И «в спектре атома возникли бы новые линии. А их нет.

Но не только в этом дело. Пусть будут такие шажки. Тогда каждый из них — снова — или скачок, или последовательность новых, еще более мелких шажков. Если продолжать такое дробление скачков, получится непрерывный переход с орбиты на орбиту. Излучение окажется непрерывным.

Мы придем к тому, с чего начались все трудности. Круг замкнется, и у нас снова не останется никакого выхода, кроме одного: вернуться к скачкам, признать, что они не изобретение Планка, Эйнштейна или Бора, а установление самой природы.

У квантовых скачков нет собственной истории—нет смены подробностей, которую можно было бы проследить. Есть начало и конец, а между ними нет процесса! Классической физике, видевшей в природе только непрерывные изменения, нечем было утешить исследователей. Квантовые скачки нельзя было ни «представить себе», ни отвергнуть. И сознание физиков долго тяготилось ими и противилось их внезапному вторжению в физическую картину мира.

В 1913 году, когда молодой Бор впервые сформулировал свои идеи, стареющий исследователь почтеннейший лорд Релей сказал на торжественном собрании Британской Ассоциации в Бирмингаме: «Люди, которым за семьдесят, не должны спешить с выражением своего мнения по поводу новых теорий». Однако сам он не удержался и поспешил заметить, что не верит, будто «природа ведет себя таким странным образом», и добавил, что ему трудно принять квантовые скачки «в качестве картины того, что действительно имеет место в природе».

Но смущены и встревожены были не только старые ученые — «люди, которым за семьдесят».

Помните, как Макс Планк, с которого все началось в 1900 году, уговаривал молодого Иоффе очень осторожно обращаться с квантами и «не идти дальше, чем это крайне необходимо». Прошло десять с лишним лет, прежде чем Нильс Бор «увидел», как рождаются кванты в недрах излучающих атомов. Потом прошло еще десятилетие, а Планк по- прежнему не решался поверить до конца в свое собственное детище. Он писал в 1923 году, что переход атома из одного устойчивого состояния в другое все-таки «ни в коем случае не может иметь скачкообразного характера...». Но даже в теории он, конечно, ничем не мог заменить скачки. Ну, а заменить их чем-нибудь в природе — это вообще не во власти физика.

А Эйнштейн? Вы думаете, его бесстрашная мысль совершала по развалинам классических теорий прогулки легкие и беззаботные?

«Я, должно быть, похож на страуса, который все время прячет голову в песок относительности, чтобы не смотреть в лицо гадким квантам», — так писал он гениальному французскому физику Луи де Бройлю, с чьим именем мы скоро встретимся вновь. И писал не в начальные времена создания теории световых частиц, не в пору ранних своих исканий, а в 1954 году, когда кванты-фотоны, им самим введенные в науку, имели уже позади полувековую историю — громкий список побед в объяснении физических фактов и ни одного поражения!