Квантовый возраст

Весной 1910 г, Эрнест Сольвей, обсуждая с известным профессором химии Берлинского университета Вальтером Нернстом трудности, возникшие в связи с интерпретацией накопившихся экспериментальных данных, предложил созвать ведущих физиков Европы в Брюсселе для совместного обсуждения новых положений в физике. Эрнест Сольвей, химик и богатый промышленник, живо интересовался новостями науки. Он взял на себя все расходы, связанные с приездом и пребыванием всех участников совещания. Нернст немедленно взялся за дело. Он написал письма о приглашении на совещание в Брюсселе ведущим физикам Европы. Первое письмо было отправлено Максу Планку. Ответ Макса Планка не был оптимистичным. Он высказывал сомнение в том, что это совещание вызовет всеобщий энтузиазм, и просил отложить проведение совещания на несколько лет, с тем чтобы дождаться более убедительных результатов. Нернсту удалось уговорить Планка, остальных же участников уговаривать не пришлось, все приглашенные с радостью согласились приехать в Брюссель.

Открытие совещания было назначено на 30 октября 1911 г., темой совещания была «Теория излучения и кванты». Германию представляли Нернст, Планк, Зоммерфельд, Варбург; Англию — Резерфорд; Францию — Бриллюэн, мадам Кюри, Поль Ланжевен, Луи де Бройль, Пуанкаре; Австрию — Эйнштейн; Голландию — Камерлинг-Оннес; Данию — Кнудсен и другие. Так было положено начало знаменитым Сольвеевским конгрессам. И каждый из них был вехой в истории науки.

На первом Сольвеевском конгрессе ясности в понимании возникших трудностей не появилось и, как мы теперь понимаем, не могло появиться. Но именно этот конгресс сыграл важнейшую роль в дальнейшем развитии событий: на нем была достигнута главная цель — совместное обсуждение возникших проблем лучшими умами Европы и сфокусирование их интересов. Наука становилась интернациональной. Вскоре после конгресса Эрнест Сольвей основал Международный институт физики, пожертвовав на это миллион бельгийских франков. В обязанности института входило ведение научно-исследовательских работ, поощрение молодых исследователей и регулярное проведение Сольвеевских конгрессов. Второй Сольвеевский конгресс был проведен в октябре 1913 г. Темой его было строение вещества.

1913 год считают драматическим годом в науке. Это год рождения атомной физики. Еще в 1911 г. Резерфорд сделал ошеломляющее открытие — он объявил своим сотрудникам: «Я знаю, как выглядит атом!». В течение нескольких лет в лаборатории Резерфорда проводились эксперименты по бомбардировке пучками альфа-частиц различных мишеней. Альфа-частицы легко проникали через тончайшие пластинки, за исключением редких случаев, когда одна из частиц почему-то отклонялась. Резерфорд предложил искать частицы, которые, возможно, отклоняются на больший угол. Каково же было удивление экспериментаторов, когда они обнаружили частицы, которые при столкновении с тончайшей металлической пластинкой возвращались назад! Резерфорд, после того как окончательно убедился в этом явлении, говорил: «Это было самое невероятное событие в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили из пушки пятнадцатидюймовым снарядом, целясь в лист папиросной бумаги, а он внезапно отскочил от бумаги и попал прямо в вас» [10, с. 17]. На основании этих экспериментов Резерфорд предположил, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него на больших по сравнению с размером самого ядра расстояниях электронов. С точки зрения классической физики такая модель атома, похожая на миниатюрную планетную систему, казалась просто абсурдной. По законам классической электродинамики, двигаясь по орбитам вокруг ядра, электроны должны излучать энергию и буквально за 10^–8 с должны упасть на ядро. Но в природе этого не происходит! Да и опыт — вещь упрямая. В чем же дело?

В 1913 г. Нильс Бор, работавший в ту пору у Резерфорда в манчестерской лаборатории, опубликовал работу, состоящую из трех частей — трилогию, при знакомстве с которой «нельзя было избежать шока». На основе резерфордовской модели атома Бор создал теорию атома, теорию, которая работала. Теперь кванты проникли в последнее прибежище классической физики — формулы классической механики и электродинамики.

Самым впечатляющим был успех теории в объяснении линейчатых спектров водородоподобных атомов.

Первая систематизация линейчатых спектров принадлежит Иоганну Бальмеру и датируется 1885 г. Но еще раньше, в 1870 г., Джонстон Стони заметил, что частоты линий солнечного спектра, соответствующие определенным линиям спектра водорода, относятся между собой, как целые числа, и нашел удивительную аналогию в соотношениях этих чисел с соотношениями частот различных гармоник скрипичной струны. Это навело Стони на мысль, что в основе закономерностей линейчатых спектров должно лежать какое-то периодическое движение внутри молекулы водорода.