Вероятностный мир

Это сделал мюнхенский теоретик Арнольд Зоммерфельд. Некогда напрасно пообещавший виноторговцу в Мозельской долине найти объяснение формулы Бальмера, он восторженно встретил квантовое построение Бора. «Бесспорно настоящий подвиг» увидел он в атомной модели датчанина. И тотчас начал эту модель совершенствовать.

Физики уже знали: стоит поместить излучающие атомы в электрическое или магнитное поле, как с их спектрами начинает происходить диковинное превращение. Прежние линии расщепляются на две, на три, на четыре… В спектрах появляется «тонкая структура», как было названо это превращение.

По модели Бора, удивляться тут было нечему: конечно же, и электрическое, и магнитное поле, каждое по–своему, не могли не влиять на движение электронов — заряженных частиц. Лестница уровней энергии в атоме должна была как–то меняться. Расщепление линий наглядно показывало, что главные — боровские — ступени этой лестницы сами становятся маленькими лесенками с двумя, тремя, а то и больше ступеньками. Возникают наборы новых квантовых скачков. Излучение обогащается новыми квантами. По–другому: паутина разрешенных орбит делается гуще. Природа словно бы становится милостивей и предоставляет электронам больше возможностей вращения вокруг ядра.

Арнольд Зоммерфельд первым расчислил эти новые возможности. Он рассудил так: раз электроны подобны планетам, они движутся не по окружностям, как у Бора, а по эллипсам. И так как они летят с огромными скоростями, без теории относительности их движение описывать грешно. Два неоспоримых уточнения: одно — классическое — по Кеплеру, другое — неклассическое — по Эйнштейну.

По Кеплеру: на эллиптически вытянутой орбите скорость электрона все время меняется не только по направлению, как это бывает в случае кругового движения, но и по величине. Вдали от ядра скорость одна, вблизи — другая. А по Эйнштейну: если величина скорости меняется, то меняется и масса электрона.

Получилось, что, описав оборот вокруг ядра, электрон чуть смещается в сторону. Он вяжет вокруг ядра петлю за петлей. Пока он летит по эллипсу своей орбиты, этот эллипс сам вращается — катится по плоскости орбиты. И потому истинный путь электрона — это красивая кривая, называемая розеткой: он очерчивает в полете по контуру многолепестковый цветок, вроде ромашки.

А можно так рассудить: электрон участвует в двух независимых вращениях. Первое — вращение по орбите — квантуется: не любые орбиты разрешены, а только прерывистая их череда. Второе — вращение самой орбиты — наверное, тоже квантуется: лепестки ромашки не могут быть какими угодно — разрешенные природой, наверное, тоже образуют прерывистую последовательность. И для их нумерации тоже надобна последовательность целых чисел: 1, 2, 3… k.

Но это не все. Атом — объемная вещь. Лишь электронные орбиты плоские, а сам он — трехмерная конструкция. И пока электрон летит по эллипсу, а эллипс катится по плоскости орбиты, эта орбитальная плоскость может поворачиваться в пространстве.

Третье независимое вращение, в котором невольно участвует электрон. Очевидно, и оно квантуется: не все положения орбитальной плоскости допустимы, а лишь пунктирный их ряд. Это напоминает чередование спиц в колесе. Их тоже надо пересчитывать. Необходима третья последовательность целых чисел: снова — 1,2, 3… m.

Так возникли в квантовой теории атома, сверх главного квантового числа Бора, два дополнительных квантовых числа Зоммерфельда. Он назвал их «внутренними». И сразу удалось верно описать тонкую структуру атомных спектров!

…Был год 1916–й. Шла уже мировая война. Кровавая империалистическая бойня закрыла границы европейских государств. Но Резерфорд рычал в коридорах манчестерской лаборатории, что «этой чертовой войне не удастся оставить физику в дураках». И там, в Манчестере, Нильс Бор написал немцу Зоммерфельду запретное письмо, выражая восхищение его работами, которые тоже запретными путями дошли тогда из Баварии в Англию. А потом Зоммерфельд получил письмо и от Эйнштейна:

«…Ваши спектральные исследования принадлежат к разряду самого прекрасного, что я пережил в физике».

Однако таинственным оставалось, почему микромир устроен так, что периодические движения в атоме — вращения и колебания — обладают странным свойством квантуемости. Именно в том письме к Зоммерфельду содержалось уже знакомое нам восклицание Эйнштейна в духе обычной для него пленительной полушутливости: «Если бы я только знал, какие винтики использует при этом господь бог!»

Природа (эйнштейновский господь бог) молчала. Она всем и каждому открыто демонстрировала свои законы, но никому не помогала их понять.

6

Среди тонкостей тонкой структуры спектров была одна, которая все–таки не поддавалась расшифровке. Ее издавна окрестили аномальным эффектом Зеемана. Даже квантовых чисел Зоммерфельда было явно недостаточно, чтобы описать происходящее.