Формула Ритца недаром называлась комбинационным принципом в спектроскопии: к комбинированию целых чисел сводилось вычисление частот в атомных спектрах. До Бора оставалось лишь неведомым, что нумеруют эти целые числа, откуда они берутся… Сеть перенумерованных электронных орбит?.. Нумерация ступенек энергетической лестницы?.. Прерывистая последовательность устойчивых - стационарных - состояний атома?.. Такие образы и понятия не могли присниться физику–классику с его многовековым культом непрерывности в физических процессах.
Вальтер Ритц работал в Геттингене и принадлежал к выдающейся школе спектроскопистов. И сам он обнаружил талант выдающегося исследователя, когда в возрасте тридцати лет опубликовал свой комбинационный принцип (1908). Но он не сумел разглядеть его прозрачного смысла. Равно как и Бальмер, не понял своей формулы. А нам надо понять, что тут не было их вины.
Старый Бальмер умер в 1898 году - за два года до рождения идеи квантов излучения.
Молодой Ритц безвременно ушел из жизни в 1909 году - за два года до рождения планетарной модели атома.
Меж тем этой идее и этой модели следовало не только появиться на свет, но и встретиться в одной голове, чтобы вдруг раскрылся механизм того инструмента, на каком природа наигрывает спектральную музыку. Или менее красиво, но столь же верно: чтобы раскрылся метод, каким природа ведет свои красочные ведомости по расходу–приходу электромагнитной энергии в атомах.
Вместе с объяснением рождения спектров автоматически пришло к планетарной модели избавление от призрака неустойчивости вещественного мира.
Обещанное Резерфордом в 11–м году будущее решение проблемы устойчивости теперь логически вытекало из двух постулатов, провозглашенных Бором. Нам они уже знакомы - тут все время шла речь именно о них:
- по первому постулату у атома есть прерывистая последовательность стационарных состояний,
- по второму постулату при переходах между этими состояниями атом излучает кванты энергии. Сразу видно: среди набора возможных стационарных состоянии одно отлично ото всех прочих - оно ниже остальных по уровню энергии. И потому из этого состояния атому спускаться уже некуда. Потеря энергии в таком состоянии атому уже не грозит - он может пребывать в нем сколько угодно!
На языке электронных орбит это значило, что в атоме есть первая разрешенная электрону орбита - ближайшая к ядру. Ниже электрону уже не найти пути для вращения - нет никакого целого числа между 0 и 1.
Двадцать с лишним лет спустя, пародируя английскую балладу "Дом, который построил Джек", физики сочинили в Копенгагене песенку - к 50–летию своего шефа - "Атом, который построил Бор". Этот атом походил на свайные небоскребы, придуманные Ле Корбюзье: все этажи нормально покоятся один на другом, и только первый этаж не покоится на земле - он висит в воздухе, держась на бетонных сваях. Так и первая орбита в атоме проходит высоко над ядром, но пространство между ядром и этой орбитой - нежилое для электрона: там нет никакого разрешенного уровня энергии. На первой орбите электрон может вращаться бессрочно.
Это состояние атома отличается, стало быть, наибольшей устойчивостью. Бор назвал его основным. И тотчас приобрел разумный смысл вопрос о размерах атома. Любая орбита задавала собою его возможные границы - он мог как бы раздуваться. Но самыми нерушимыми и тесными границами были те, что очерчиваются ближайшей к ядру орбитой. Ее радиус и следовало принять за нормальный размер атома.
Бор сумел его вычислить: порядка 10 сантиметра.
Стомиллионная доля сантиметра - 1 ангстрем… Физикам и химикам была уже знакома эта величина для атома водорода: ее получали по косвенным оценкам из экспериментальных данных. А теперь ее удалось вывести прямо из атомной структуры! Это произвело сильнейшее впечатление на современников.
И не меньшее впечатление произвело еще одно число: 109 000.
Такое значение Бор получил для спектроскопической константы, входившей во все спектральные формулы. Ее называли константой Ридберга. Опытная ее величина равнялась 109 675.
Согласие теории и эксперимента было поражающим.
Квантовое понимание атома явно заслуживало доверия. И не только доверия… Не только? А на какое же еще одобрение вправе расчитывать научная теория?
Резерфордовец Дьердь Хевеши, прочитав в английском журнале основополагающую работу Бора, тотчас написал ему: "Ваша статья была для меня неисчерпаемым источником наслаждения". И постарался объяснить, почему:
"Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые… Эта "интеллектуальная несчастливость" всего более и побуждает нас думать - делать науку".
Тут выразилась яркая психологическая черта, общая у ветеранов квантовой революции в физике. По их воспоминаниям, письмам, устным свидетельствам можно легко почувствовать, как постоянно двигало ими творческое стремление избавиться от "интеллектуальной несчастливости", которую они переживали тем острее, чем что сознавали: в их исканиях должны раскрыться фундаментальные связи между разрозненными фактами…
Хевеши признался, что в те часы, когда он штудировал квантовую теорию атома, его можно было счесть по–настоящему счастливым человеком.
Глава четвертая. Дорога во тьме.
1
Вполне логично говорить, что научное открытие уменьшает область неизвестного. Но не менее логично утверждать, что она при этом увеличивается. По вине самого открытия и увеличивается. Когда человек идет в гору, веред ним все раздвигается горизонт, но и все протяженней становятся земли, лежащие за горизонтом.
Об этом давно замеченном свойстве научного прогресса прекрасно сказал однажды Луи де Бройль:
"В большой аудитории Сорбонны на отличной фреске, созданной Пюви де Шаванном, изображены на обширной поляне фигуры, несколько стилизованные, согласно обычной манере этого художника; они символизируют человечество, наслаждающееся самыми возвышенными духовными радостями: литературой, наукой и искусством; но эту светлую поляну окружает темный лес, который символически указывает нам, что, несмотря на блестящие завоевания мысли, тайны вещей продолжают окружать нас со всех сторон.
Да, мы находимся в центре огромного темного леса. Понемногу мы освобождаем вокруг себя небольшой участок земли и создаем маленькую поляну. И теперь, благодаря успехам науки, мы непрерывно и во все возрастающем темпе раздвигаем ее границы. Однако все время перед нами пребывает эта таинственная опушка леса - непроницаемого и безграничного леса Неведомого".
Когда в феврале 1955 года де Бройль разворачивал эти мысли–ощущения в лекции "По тропам науки", ему было уже далеко за шестьдесят. Он знавал радость глубоких догадок, драматические кризисы, годы бесплодия. В полулитературной, полунаучной аудитории Музея Гиме, возможно, лишь немногие знали о дебройлевской драме идей, которая как раз тогда разыгрывалась - что бывает редко - повторно. Но все со вниманием слушали ветерана квантовой революции, одни чувствуя, другие сознавая его право на возвышенный образ "таинственной опушки леса Неведомого": была на этой опушке им расчищенная пядь земли.
То, что так велеречиво высказал ученый, суховато выразил писатель:
"Наука всегда оказывается неправой. Она никогда не решит вопроса, не поставив при этом десятка новых".
Узнается почерк Бернарда Шоу: раз уж общепризнанно, что на стороне науки всегда есть доказанная правота, ему нужно было убедить нас в обратном - она всегда не права.
Он подумал о науке в момент ее торжества - в момент открытия, когда она и вправду безоружна перед лицом новых "почему", обращенных ею же самой к чуть поредевшему лесу Неведомого. Нет у нее покуда ответов на эти новые "почему", которых никто и не задавал бы до состоявшегося открытия. И она в очередной раз "оказывается неправой" именно на гребне успеха. И чем масштабней открытие, тем более "неправой" оказывается она: тем больше вопросов приводит оно с собой.
Как с открытиями Планка, Эйнштейна, Резерфорда; это случилось и с квантовой теорией атома.
После хансеновского беспомощного "а я не знаю, так ли это" первые и самые глубокие недоумения высказал Резерфорд. То, что - первые, естественно: конечно, ему Бор послал на одобрение свою рукопись. Ему поспешил сообщить о спасении планетарной модели. Но то, что недоумения Резерфорда были еще и самыми глубокими, может показаться неожиданным: он ведь не числился "чистым теоретиком" и даже любил подтрунивать над такими теоретиками. Он говаривал, что они "ходят хвост трубой", и насмешливо уверял, что "мы, экспериментаторы, заставляем их поджимать хвосты".
Однако планетарная модель была его теоретическим детищем, и можно ли сомневаться, что он сам перепробовал немало путей ее спасения. Безуспешность попыток донельзя обострила его критическое чутье. Ответ на рукопись Бора последовал немедленно. И там были поразившие Бора строки:
"…Мне сдается, что есть серьезный камень преткновения в Вашей гипотезе, и я не сомневаюсь, что Вы полностью сознаете это, а именно: как решает электрон - с какой частотой он должен колебаться, когда происходит переход из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, Вы будете вынуждены допустить, что электрон заранее знает, где он собирается остановиться".
Так впервые - в частном письме - прозвучало подозрение: а не приписывает ли квантовая теория "свободу воли" этой неодушевленной крошке - электрону?