Охотники за частицами

Так случилось с теорией квантов Планка. Тринадцать лет ждали кванты энергии, пока Бор так естественно не объяснил их, как неизбежное следствие электронных прыжков на атомных орбитах. Но само это объяснение, как и запрет электрону излучать, находясь на одной орбите, требовало обоснований. А обосновать их Бор не мог.

Теория Бора никак не вытекала из старой физики. Избранные орбиты электронов в атоме вместо любых, дозволяемых старой физикой. Какие-то прыжки с орбиты на орбиту вместо плавного, непрерывного перехода. Да тут и не пахнет старыми, привычными представлениями. Не пахнет? А вот вдумчивые ученые учуяли. Нам придется придержать разговор об этом до следующих страниц: неопределенное чувство половинчатости теории Бора удалось воплотить в четкие формулы лишь спустя десять лет после ее появления.

А пока что эта теория работала, и работала замечательно. Измеряя энергии атомных квантов, удалось многое узнать о состояниях электронов в атоме. Стали выясняться многие закономерности оптических, тепловых, электрических, магнитных свойств вещества. Возникла квантовая химия, основы которой вошли сегодня во все школьные учебники.

И с развитием теории Бора все чаще стали замечаться ее слабости.

Бурный поток, разливаясь по равнине, обнажает подводные камни. Как ни удивительно, одним из таких подводных камней для теории Бора оказались те самые спектры, происхождение которых она столь блестяще объяснила.

Физика — наука точная. Она не удовлетворяется одним объяснением — ей подавай точный расчет. Вот, например, спектр излучения атома. Его линии характеризуются двумя величинами — частотой, или длиной волны, и интенсивностью, или яркостью.

Длины волн спектральных линий теория Бора рассчитывать позволяет. Это ее успех. А вот как быть с расчетом интенсивностей? На этот счет теория не дает никаких указаний. Более того, из нее вообще не вытекает, что спектральные линии могут иметь разные яркости.

В самом деле, если электрон набрал достаточную энергию, то он может совершать между орбитами как длинные прыжки назад, в которых расходуется вся эта энергия, так и короткие, в которых освобождается только ее часть. Ничто не запрещает электрону совершать длинные прыжки столь же часто, как и короткие.

Электрон, заброшенный на далекую от ядра орбиту, может вернуться на исходную орбиту не обязательно за один прием. Тогда вместо одного кванта высокой частоты (или энергии) возникнет несколько квантов с меньшими частотами. И ниоткуда не следует, что электрон должен предпочитать возвращение домой на экспрессе путешествию с пересадками на промежуточных станциях, и наоборот.

А вот на зависть теории Бора ее поверженная предшественница — старая физика — рассчитывать интенсивности спектров умеет. Правда, ей доступны только непрерывные спектры. Вспомним, что она, в свою очередь, даже и помыслить не может об объяснении рождения отдельных линий.

Итак, одна теория умеет одно, другая — другое. Бору приходит в голову мысль сопрячь обе теории вместе.

Как это сделать? И тут Бор замечает, что расположение электронных орбит в атоме следует очень удобному для этой цели порядку. По мере удаления от ядра те орбиты, на которых его теория позволяет находиться электронам, все более сближаются друг с другом.

Лесенка энергий, которыми могут в атоме обладать электроны, имеет ступеньки неодинаковой высоты. По мере подъема по лесенке ее ступеньки укорачиваются. Она выглядит так, как прислоненная к стене дома обыкновенная лестница, если смотреть на нее снизу. Далекие ступеньки для глаза совершенно сливаются. Но здесь это иллюзия зрения, а в атоме такое происходит наяву.

Все более сближающиеся ступеньки — значит, все меньшие энергии квантов, отвечающих прыжкам электронов между, этими ступеньками. Длинноволновый или низкочастотный участок любого атомного спектра должен сильно походить на непрерывный спектр. А в идеале, если бы ступеньки лесенки энергий совсем слились друг с другом, это сходство превратилось бы в тождество.

Вот здесь и надо сделать мостик для соединения обеих теорий! А перейдя по нему с классической стороны на квантовую, распространить получившийся результат на атомные спектры, спуститься вниз по лесенке.

Что ж, изящный прием! К сожалению, однако, быстро выясняется, что он не так уж хорош. Иногда расчет квантового спектра по «классике» согласуется с наблюдаемыми на опыте яркостями линий, а чаще — нет. Почему так происходит, ни одна из обеих теорий, подвергнутых Бором гибридизации, объяснить не может. Гибрид оказывается на вид соблазнительнее, чем на вкус.

Да и само его появление — это как бы расписка теории Бора в ее слабости. Грешно выбрасывать классическую физику с парадного входа, чтобы затем потихоньку впускать ее с черного входа. Грешно, как насмешливо говорил английский физик Брэгг, по понедельникам, средам и пятницам исповедовать квантовую религию, а по вторникам, четвергам и субботам — классическую.

Все яснее становилась физикам необходимость в более сильной, более последовательной теории атома. Пришло время новых шагов. И вскоре они были сделаны.

Первый из них принадлежит Луи де-Бройлю.

В сентябрьском номере журнала «Физическое обозрение» за 1924 год появилась удивительная статья. В ней коротко излагалась диссертация молодого французского физика Луи де-Бройля о волнах материи.

Волны материи? Разве это не упругие, звуковые и электромагнитные волны, в материальности которых физикам того времени не приходило в голову сомневаться? А раз так, то зачем столь громко названа статья? Ученые не без оснований полагают, что по тому времени эти волны в целом изучены достаточно хорошо.

Оказывается, однако, что статья де-Бройля касается совершенно иного вида волн. Автор уверяет, что эти волны сопутствуют движению любого тела, любой его частицы, что эти волны должны проявляться при любом движении, даже в абсолютной пустоте.

Тут что-то новое. Упругие и звуковые волны распространяются только в вещественной среде. В пустоте они наблюдаться не могут. С другой стороны, электромагнитные волны такой среды не требуют, но могут возникать при движении только электрически заряженных тел или частиц. Будущим космонавтам, наверное, не раз представится возможность наблюдать на далеких планетах извержение вулканов, происходящее в совершенном безмолвии. Только трясется земля под ногами!

Итак, что это за волны материи, как они сопровождают движения тел, как они выглядят? И почему до сих пор никто их не видел?

Скептики с улыбкой иронизируют над неведомыми волнами, другие задают нетерпеливые вопросы. И вот как на них отвечает де-Бройль.

…На Тихом океане широко распространен интересный спорт. Он требует умения и ловкости, и тем, кто овладел им, доставляет огромное удовольствие. Это катание на доске по волнам. В океан выходит катер. Спортсмен переходит с него на широкую нетонущую доску и дожидается приближения высокого вала. Оседлав этот вал, смельчак несется на нем к берегу со скоростью курьерского поезда. Но одно неосторожное движение, и спортсмен соскальзывает с гребня, а вода захлестывает его с головой. Океанская волна ведет, как бы пилотирует спортсмена.

Вот так, в виде «волны-пилота», и представляет себе де-Бройль волну материи. Сидит частица в собственной волне, словно пассажир, и движется туда, куда влечет волна.

Следующий вопрос: как частица образует свою волну? Выделяет ее, что ли? На этот вопрос де-Бройль ничего ответить не может. Единственное, в чем он уверен, это то, что волна материи неразрывно и навечно связана с каждой частицей. Электромагнитная волна может оторваться от своего источника и уйти в мировое пространство. Для волн материи это невозможно.

Наконец, задается еще один вопрос: почему до сих пор никто не замечал этих удивительных волн, если даже они существуют? Что ж, для ответа нужно узнать, какова их длина. Самые длинные электромагнитные волны, которые еще можно измерить, имеют длины волн в сотни и тысячи километров. Самые короткие — гамма-лучи — имеют длины в миллиардные и триллионные доли сантиметра.