Стало понятно, отчего излучение покидает атом пор циями: двигаться по энергетической лестнице атома можно было только вскачь — со ступеньки на ступеньку. Задерживаться меж ступенек, судя по атомным спектрам — всегда линейчатым, а не сплошным! — природа не позволяла. Итак:
— в формуле: череда целых чисел,
— в атоме: череда уровней энергии. Получалось, что на каждом таком энергетическом уровне атом может пребывать устойчиво, пока не испустит светового кванта. А при испускании этой порции энергии сразу перейдет на нижний устойчивый уровень. И этот переход осуществляется неостановимым скачком — без задержек в пути…
Вот что смутило Хансена: все это выглядело уж очень антиклассически.
…Захотелось, конечно, зримо представить, как строится энергетическая лестница хотя бы в простейшем атоме — водородном. Ясно, что, кроме единственного электрона, планетно вращающегося вокруг ядра, там некому быть строителем такой лестницы. И, кроме его планетных орбит, там нечему служить ступенями разных уровней энергии. Наглядно прорисовалась в атомном пространстве паутина разрешенных природой электронных орбит. На каждой такой орбите у электрона — а вместе с ним и у атома — определенная величина энергии. Итак:
— в формуле: череда целых чисел,
— в атоме: череда орбит электрона.
Получалось, что на каждой из своих орбит, вращаясьвокруг ядра, электрон вовсе не излучает света. Вопреки классическим законам — не излучает! И только когда сваливается с какой–нибудь орбиты вниз и летит к самой нижней из разрешенных орбит, только тогда он испускает подобающий глубине падения квант. Чем дальше от ядра исходная орбита, тем солидней излученный квант. Тем больше в нем частота электромагнитных колебаний. Тем ближе спектральная линия к фиолетовому концу атомного спектра…
Так вот что еще смутило Хансена: приходилось давать немыслимый ответ на коротенький вопрос: какое же отношение имеет к частоте излучаемого света частота вращения электрона вокруг ядра? Нет, вопрос–то (эыл много-* словный, а ответ коротенький: никакого! Действительно, раз движение по орбите устойчиво — энергия не меняется,* — для процесса излучения совершенно несущественно, как часто облетает электрон ядро.
А в классической физике давно утвердилось обратное представление: с какой периодичностью движутся заряды в излучателе, с такой частотой и отчаливает радиация в пространство. Так думали все. В этом не сомневались ни Максвелл, ни Герц в прошлом веке, ни Лоренц, ни Планк в веке нынешнем. Как же было не смутиться бедняге Хансену, еще не успевшему по молодости лет даже защитить докторскую диссертацию (а диссертация его была к тому же спектроскопической, и теперь выходило, что надо ему на ходу переучиваться).
Если кто до Бора и сомневался в обязательности этого традиционного представления, то все тот же Альберт Эйнштейн. Однако до появления теории Бора он не проговаривался вслух о своем сомнении. А когда в сентябре 13–го года Хевеши нашел повод рассказать ему об экспериментальном подтверждении боровского построения, Эйнштейн воскликнул:
— …Так, значит, частота излучаемого света вообще не зависит от частоты вращения электрона!.. Это огромное завоевание. Тогда теория Бора должна быть верна.
По другому варианту рассказа Хевеши, «большие глаза Эйнштейна стали еще больше, и он сказал мне: «Тогда это одно из величайших открытий». Но главное, что Эйнштейн сопроводил эту оценку самым неожиданным в его устах признанием:
«.. Однажды им овладели очень похожие идеи, но он не осмелился опубликовать их».
Неосмелившийся Эйнштейн!.. — кто бы осмелился возвести такую напраслину на автора теории относительности и квантовой теории света?! Но стало быть, это не напраслина, раз возвел он ее он сам. Может быть, смелость ушла вместе с молодостью? Ах, нет: в момент этого признания ему было всего 34 года, а в мыслях его уже созревала сверхотважная теория тяготения. Дело было явно в другом. Интересно поразмыслить, в чем же именно?
Ему хватило бы отваги, если б хватило доверия к неизбежным выводам из новизны' физических закономерностей в атоме. Хотя они тогда проявились еще совсем смутно, он–то со своей проницательностью тотчас почувствовал, куда дело клонится. Против тех физических идей, похожих на боровские, что «однажды им овладели», запротестовала его же собственная, эйнштейновская, философия природы.
В ее основе лежала безусловная вера, что природа управляется законами однозначной причинности и всякая неопределенность, дающая волю истинному случаю, ей чужда. Это роднило Эйнштейна с творцами классической физики и делало его великим ее завершителем.
Пройдут годы. Он станет выражать это классическое убеждение в своей знаменитой шутливой формуле: «Я не верю, что господь–бог играет в кости!» И мы еще услышим эту его формулу, когда он будет осуждать другую философию природы — ту, что открывает в недрах материи господство неоднозначных законов вероятности. Долгие десятилетия будет безысходно длиться его полемика с Нильсом Бором. И она окажется незатихающей драмой идей в духовной жизни Эйнштейна.
Не началась ли эта драма еще в те ранние годы, когда он «не осмелился опубликовать» идеи, какие осмелился развить в законченную теорию молодой Нильс Бор? В ту пору это была полемика с самим собой — внутренняя полемика Эйнштейна–физика с Эйнштейном–философом.
По частному поводу та полемика могла развернуться очень просто: когда Эйнштейну–физику захотелось объявить, что нет прямой причинной связи между частотой вращения электрона и частотой излученного света, Эйнштейн–философ удержал своего двойника за руку — не дозволил осмелиться. Философ как бы прикинул: сегодня — отказ от однозначной связи в одном частном пункте, а завтра — отказ от классической причинности вообще. Нет, это уж слишком! Что–то тут неладно…
А все–таки физик в душе Эйнштейна обрадовался, когда увидел близкие ему идеи воплощенными в теорию атома: «Это огромное завоевание, это одно из величайших открытий!» А гораздо позднее, в старости, Эйнштейн сказал о теории Бора еще и так:
«Это мне кажется чудом и теперь. Это — наивысшая музыкальность в области мысли».
6
Эйнштейн не объяснил, что такое музыкальность мыс ли. Да и вряд ли это поддается прозаическому истолкованию. Между прочим, в отличие от Эйнштейна — искусного скрипача и в отличие от Планка — искусного пианиста Бор совсем не был музыкантом. Но тут речь о другом — о гармоничности в мышлении. И еще: о чертах гармоничности в самой структуре квантовой теории атома.
При знакомстве с нею невольно вспоминалась «музы ка сфер» древних натурфилософов — идея предвычисленной гармонии в движении небесных тел. Вспоминалась пифагорейская гармония целочисленных отношений в устройстве мира.
А на карандашном наброске квантовой модели череда атомных уровней энергии походила на разлиновку нотной бумаги. Довольно было проставить, как нотные знаки, черные точки электронов, скачущих по этим линейкам, и сама собой напрашивалась метафора: так природа играет спектральную музыку цветового разнообразия мира. (Слова о «спектральной музыке» произнес Зоммерфельд.)
Еще вчера ничего не знавший о формуле Бальмера, теперь Нильс Бор обследовал с понятным волнением все подобные формулы, накопившиеся в оптике. Их авторы по примеру швейцарского учителя описывали чередование частот в других сериях спектральных линий, и не только водорода. А последняя по времени создания — самая обобщенная — формула Вальтера Ритца давала такое описание для любых спектральных серий.
Легко вообразить, с каким нарастающим ликованием тихий датчанин снова и снова убеждался в своей правоте: все спектральные линии всегда получались из комбинации двух величин, разделенных знаком вычитания!
А в формуле Ритца вдобавок была новая черта, какой не было у Бальмера: обе величины — и энергия атома после излучения, и энергия до излучения — оказывались переменными, и обе зависели от смены целых чисел. Бор этого уже ожидал. Такое усложнение объяснялось без труда. Оно обозначало, что электроны, излучая кванты, вовсе не обязаны были каждый раз падать на самую нижнюю ступеньку энергетической лестницы. Электрон мог сверху упасть на любую промежуточную орбиту, разрешенную природой, и начать устойчиво вращаться по ней. И потому энергия атома после излучения тоже может быть переменной.
Иначе: двигаться скачками по лестнице уровней энергии можно как угодно, прыгая через одну, через две, через три ступеньки или на всю глубину. От размаха прыжка зависит лишь величина испускаемого при этом кванта — цвет спектральной линии.
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 10–8 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: