Проклятые вопросы

Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов. Процессов, которые переводят атом из одного, так называемого стационарного, состояния в другое состояние с испусканием освобождённой энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения — фотона. (Это очень важное место в размышлениях Бора, так как тут выражено интуитивное предчувствие принципа, лёгшего в основу работы лазера.) Эта идея внутренне сродни эйнштейновскому успешному толкованию фотоэлектрического эффекта, столь убедительно подтверждённому прекрасными работами Дж. Франка и Г. Герца над возбуждением спектральных линий ударами электронов об атомы. Она дала не только прямое объяснение загадочных законов линейчатых спектров, распутанных И. Я. Бальмером, И. Р. Ридбергом и В. Ритцем. Но и постепенно привела к систематической классификации, на основе спектроскопических данных, типов стационарной связи каждого электрона в атоме. Это дало полное объяснение замечательным зависимостям между физическими и химическими свойствами элементов, зависимостям, выраженным в знаменитой таблице Д. И. Менделеева. Такое толкование свойств материи казалось осуществлением древнего идеала — свести формулирование законов природы к рассмотрению только чисел, — превосходящим даже мечты пифагорейцев. Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время неизбежный отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания».

Как поразительно работает интуиция гения: она предчувствует то, что ещё не стало осознанной реальностью.

Бор сформулировал свои идеи в виде трёх постулатов: атом может находиться в ряде определённых стационарных состояний, не теряя энергии на излучение; излучение возникает при переходе из одного стационарного состояния в другое; частота излучения определяется отношением разности энергий, соответствующих двум стационарным состояниям, между которыми совершается переход, к постоянной Планка.

В этих постулатах уже содержалась суть лазеров, но об этом пока никто не знал.

Бор применил эти постулаты к простейшему атому водорода, вокруг ядра которого вращается только один электрон. Каждый шаг был триумфом. Радиус орбиты электрона хорошо совпал с радиусом атома водорода, известным из опытов с газами. Подсчёт частот, связанных с переходами между простейшими стационарными состояниями, совпал с известными сериями линий Бальмера и Ф. Пашена и позволил вычислить постоянную Ридберга, определённую ранее только из опыта.

Бор применил свою теорию к иону гелия — системе, также имеющей только один электрон, но вчетверо более тяжёлое ядро, чем ядро атома водорода. Так он получил серию частот, совпадавшую с серией спектральных линий, наблюдавшихся в некоторых звёздах и в то время приписывавшихся водороду. Впоследствии правота Бора стала ещё одним триумфом его теории.

Но попытки применить теорию к неионизированному атому гелия — системе с двумя электронами — и к более сложным атомам натолкнулись на непреодолимые математические трудности.

Эти трудности в существенной мере преодолел теоретик старшего поколения А. Зоммерфельд. Он ввёл в модель Бора наряду с круговыми орбитами более сложные эллиптические орбиты электронов. Это позволило ему вывести расчётным путём комбинационный принцип, полученный Ритцем из простого сопоставления данных опыта. Затем Зоммерфельд, оценив скорости движения электронов по их орбитам, установил, что они столь велики, что для расчётов нужно применять теорию относительности Эйнштейна.

Так он смог объяснить существование многих спектральных линий, не входивших в известные спектральные серии. Оказалось, что они возникают вследствие того, что эллиптические орбиты в соответствии с требованиями теории относительности вращаются вокруг ядра так, что электрон движется не по замкнутому эллипсу, а по своеобразной бесконечной розетке. Впрочем, и после усовершенствования теория была слишком сложной, а главное, не все её предсказания согласовывались с опытом.

Постепенно у физиков крепло сознание необходимости перемен.

ПОВОРОТ К ЛАЗЕРУ

В 1917 году Эйнштейн сделал шаг, последствия которого он ещё не мог предвидеть. Шаг заключался в применении к атому Бора того статистического подхода, который сам Эйнштейн и польский учёный М. Смолуховский применили к расчётам таинственного броуновского движения — безостановочной пляске мельчайших частиц, плавающих в жидкости.

Эйнштейн заметил, что акты излучения и поглощения света должны подчиняться таким же вероятностным закономерностям, как радиоактивный распад. Каждый единичный акт непредсказуем и случаен, но в среднем проявляются чёткие закономерности, соответствующие объективным законам природы.