В.Вайскопф. Нильс Бор, квант и мир

Одним из достижений, выделяющихся в сложной истории идей XX в., явилось развитие наших представлений о строении вещества. Это развитие шло путем неуклонного, все более глубокого проник­новения в суть внутренней структуры атома и сопровождалось чрезвычайным расширением нашего понимания природы материи. Современный научный прогресс часто описывают, оперируя пред­ставлениями о революциях и переворотах, когда новая теория раз­рушает предшествующие теории. Однако такое описание проходит мимо того факта, что развитие науки по своей внутренней сущности эволюционно. Любая из новых и так называемых революционных идей в современной науке возникла как усовершенствование старой системы мышления, ее обобщение или расширение. Теория относи­тельности не устраняет механику Ньютона — орбиты спутников все еще рассчитываются по ньютоновской теории, — она расширяет область применения механики на случай высокой скорости и уста­навливает общую значимость одних и тех же концепций для механи­ки и теории электричества. Появление квантовой теории, видимо, больше других событий в науке напоминает революцию, но даже эти идеи, например принцип неопределенностей, следует рассматривать как уточнение классической механики при переходе к рассмотрению очень малых систем; они не меняют степени приложимости класси­ческой механики к движению более крупных тел.

Постоянный и непрекращающийся рост знаний о строении ве­щества может помогать ученым, живущим в этом столетии беспоряд­ков и переворотов, сохранять стабильность образа мыслей. Влияние же его на общество оказывается иным. Любой рост знаний этого рода приносит все больше и больше способов и средств обращения с новыми веществами, новыми видами энергии и новыми орудиями насилия, которые можно по желанию пускать в ход или прекращать

их применение. Это, в свою очередь, неизбежно меняет образ жизни во все возрастающей степени, оставляя нас в неприятном положении, когда мы с нашей привычной системой оценок сталкиваемся с чело­веческими проблемами, порожденными новыми достижениями науки.

Ничто не может дать лучшей иллюстрации этих проблем, чем изучение жизни Нильса Бора. Это был великий физик, один из вели­чайших. Его имя стоит рядом с именами Галилея, Ньютона, Мак­свелла и Эйнштейна. Его труды положили начало тому великому раз­витию науки, о котором мы говорим здесь, и продолжали влиять на него в течение полувека. В большей степени, чем какой-либо другой ученый, он был озабочен человеческими проблемами своей науки, столкновением политики и интересов общества. Он родился в 1885 г.; его жизнь как ученого началась примерно в 1905 г. и продолжалась пятьдесят семь лет. 1905 г. был годом, когда Эйнштейн лишь через несколько лет после открытия Планком кванта действия опубли­ковал свою первую статью по специальной теории относительности.

…В 1913 г. была опубликована рабо­та о квантовых орбитах атома водорода. В этой замечательной статье предлагалось объяснять необъяснимые свойства атома с помощью введения совершенно новой физической концепции — представления о квантовом состоянии. Идеи Бора основаны на предшествующих работах Планка и Эйнштейна. Он применил идею кванта к атомной структуре. Вряд ли существует другая статья в физической литерату­ре, которая вызвала бы появление такого множества теорий и откры­тий.

Этой знаменитой статьей отмечено начало серии новых прозре­ний. За десять лет, последовавших после ее публикации, многие явления, ранее не находившие объяснения, встали на свое место в общей схеме представлений: структура спектров элементов; процесс поглощения и излучения света; сущность периодической системы элементов, загадочной последовательности свойств 92 различных видов атомов. Это был период, когда качество (индивидуальность химических веществ) было сведено к количеству (числу электронов в атоме). Все это основывалось на боровском предположе­нии о существовании в атоме квантовых орбит, которое в то время еще было предварительной гипотезой. Современники Бора, однако, воспринимали это предположение совершенно буквально, хотя Бор предупреждал их в своих статьях и письмах, что оно не может быть окончательным объяснением и что должно быть открыто нечто фундаментальное, чтобы по-настоящему понять все происхо­дящее при атомном квантовании.

Второй период явился временем, когда квант был полностью понят. Это был героический период, не имеющий параллелей в истории физики, наиболее плодотворный и самый интересный этап современной физики. Не существует отдельной статьи Бора, кото­рая характеризовала бы этот период в той же мере, как это было сделано в первом периоде работой 1913 г. Бор нашел новый метод работы. Он больше не действовал в одиночку, а трудился, объеди­нившись с другими физиками. Он приобрел большую силу, собрав вокруг себя наиболее активных, наиболее одаренных и самых перс­пективных физиков мира. В это время у Бора в его знаменитом Инс­титуте теоретической физики в Копенгагене работали такие люди, как Клейн, Крамерс, Паули, Гейзенберг, Эренфест, Гамов, Блох, Казимир, Л. Д. Ландау и многие другие. Именно в это время и при участии этих людей были заложены основы квантовых представле­нии, постигнуто и рассмотрено соотношение неопределенностей, впервые понят корпускулярно-волновой парадокс.

В оживленных дискуссиях с участием двух или большего числа собеседников проливался свет на глубочайшие проблемы строения вещества. Можно представить себе, какая атмосфера, какая жизнь, какая интеллектуальная активность царили в то время в Копенга­гене. Здесь ощущалось влияние Бора в самых лучших его проявлениях. Именно здесь он создал свой стиль, копенгагенскийдух, стиль весьма специфический, который он внедрил в физику. Мы видим его, величавого, действующего, говорящего, живущего как равный в группе молодых оптимистически настроенных, остроумных, пол­ных энтузиазма людей, постигающих глубочайшие загадки природы, действующих в духе атаки, в духе свободы от привычных пут, в атмосфере шуток, которую с трудом можно описать. Помню, что будучи очень молодым человеком в те времена, когда мне посчаст­ливилось оказаться в Копенгагене, я бывал слегка ошарашен неко­торыми шутливыми выходками, происходившими в ходе дискуссии и, как мне казалось, свидетельствующими о нарушении приличий. Я поделился своими чувствами с Бором, и он ответил мне так: «Существуют вещи настолько серьезные, что о них можно только шутить».

В это великое для физики время Бор и его сотрудники прикос­нулись к нерву Вселенной. Интеллектуальный взор человека устре­мился к внутренним механизмам природы, до этого покрытым тай­ной. Как только были установлены фундаментальные принципы атом­ной механики, стало возможным понять ирассчитать почти все явления в мире атомов, такие, как атомное излучение, химическая связь, строение кристаллов, металлическое состояние имногие дру­гие. До этого для нас окружающая природа была полна различных сил: электромагнитных, капиллярных, сил сцепления, химических и упругих; теперь все они свелись к одной — к электромагнитной силе. В течение всего лишь нескольких лет была заложена основа науки об атомных явлениях, выросшей теперь в огромную отрасль знания.

Попытаюсь в нескольких словах обрисовать роль новых идей, возникновению которых способствовал Бор. Химия и физика разви­вались порознь. Химия была наукой о веществе и его специфических свойствах. Атом был понятием химическим: атом золота, кислорода, серебра — разные специфические объекты, существование которых было замечено, но не понято. Физика занималась общими свойства­ми движения, деформаций и напряжений, электрическими и маг­нитными полями. Две науки были очень далеки друг от друга. Еще нельзя было ответить на вопрос, откуда взялись характерные свой­ства вещества.

Специфичность атомов определенного сорта представлялась ве­ликим чудом. Что мешало природе породить атом золота, который слегка отличался бы от другого? Почему бы не существовать проме­жуточным атомам, которые были бы наполовину атомами золота, а наполовину — атомами серебра? Почему не происходит непре­рывного изменения свойств от золота до серебра? Что заставляет все атомы одного вещества быть с такой точностью одинаковыми? Почему они не меняются, когда вещество нагревают или подвергают другим внешним воздействиям? Эти вопросы стали еще более остры­ми и обескураживающими после того как Резерфорд обнаружил, что атомы представляют собой маленькие солнечные системы с атомным ядром вместо центрального солнца и электронами, обращающи­мися вокруг него подобно планетам. Такие системы должны бытьисключительно чувствительны к соударениям и другим возмущаю­щим воздействиям.

Бор увидел, что существует связь между этими свойствами ато­мов и квантовой теорией. Он попытался формализовать эту точку зрения, постулируя существование квантовых состояний атомных систем, характерных для каждого вида вещества. Электроны могут группироваться вокруг ядра только в небольшом числе вполне оп­ределенных вариантов - квантовых состояний - и никаким дру­гим способом. Состояние с наименьшей энергией есть то, которое не­изменно должны образовывать электроны при нормальных условиях. Это стабильная конфигурация, поскольку любое ее изменение воз­можно лишь при подводе энергии в количестве, достаточном для достижения следующего квантового состояния, которое расположе­но выше по энергетической шкале. Именно такое низшее состояние ответственно за типичные свойства атомов.

Пока это лишь подходящая формулировка объяснения того стран­ного факта, что атомы обладают специфическими свойствами. У Бо­ра она значила несколько больше, поскольку он дал некоторые пра­вила корректного расчета энергий этих квантовых состояний в ряде простых случаев. Однако реальное значение эта новая концепция приобрела, когда стала ясной ее тесная связь с двойственной приро­дой электронов, движение которых иногда наблюдается как движе­ние частиц, а иногда как волновое движение.

Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. – М., 1977.- С. 53-55.