Джейкоб Броновски - Восхождение человечества
Идея о том, что у атома есть структура — целый мир, захватила воображение художников сразу. Это видно по работам, которые начали создавать живописцы с первых же годов XX века. Например, серии полотен Умберто Боччони «Силы улицы» или картина «Динамизм велосипедиста». Современное искусство зарождалось одновременно с современной физикой, поскольку берет начало в тех же идеях.
Со времен публикации Ньютоном «Оптики» художников завораживали цветные поверхности вещей. В XX веке все изменилось. Как рентгеновский аппарат, художник смотрел на кость, скрытую плотью, и другие структуры, которые изнутри определяют общую форму предмета или тела. Такие художники, как Хуан Грис, занимались анализом структуры. Вспомните природные формы в его «Натюрморте» или человеческие формы в «Пьеро».
Художники-кубисты были без ума от кристаллов. Жорж Брак, например, воплощает в их формах селение на склоне горы в пейзаже «Дома в Эстаке», Пабло Пикассо использует этот прием для изображения женских фигур в групповом портрете «Авиньонские девицы». Начинался кубизм со знаменитого холста Пикассо «Портрет Даниэля-Генри Конвейлера». Художник отказался от традиционного изображения лица в пользу геометрии: голова натурщика разобрана на математические элементы, затем собрана, как реконструкция, сотворена заново.
Поиск скрытой структуры манил живописцев Северной Европы. Франц Марк, например, выполнил в этой манере пейзаж «Олень в лесу». Полотно художника Жана Метценже «Женщина на лошади», любимого многими учеными, купил Нильс Бор. Он был известным коллекционером живописных работ и хранил их в своем доме в Копенгагене.
Есть два четких различия между произведением искусства и научной работой. Во-первых, художник разбивает мир на фрагменты, а затем собирает их на одном холсте. Во-вторых, в процессе работы вы можете наблюдать за его мыслью. (Например, Жорж Сёра написал «Портрет молодой женщины с пуховкой» и «Ле Бек-дю-Хок. Грандкамп», ставя одну цветную точку рядом с другой — и так до тех пор, пока не возникла картина.) Ни то ни другое не применимо к научной работе. Она зачастую носит строгий аналитический характер, и процесс мышления скрыт за обезличенными формулировками.
В качестве темы для беседы я избрал Нильса Бора — одного из отцов-основателей физики XX века, поскольку в обоих отношениях он был великим художником. У него никогда не было готовых ответов. Даже лекции он начинал со слов: «Каждое предложение, которое я произношу, следует рассматривать как вопрос, а не как категорическое утверждение». Первое, что он поставил под вопрос, — строение Вселенной. И все, кто работал с ним, — начинающие и опытные исследователи — раскладывали мир на части, анализировали и заново собирали.
Начинал Нильс Бор вместе со своим однокурсником Эрнестом Резерфордом в 1910-х годах в лаборатории Томсона, выдающегося экспериментального физика. (Томсон и Резерфорд занялись наукой, следуя воле своих овдовевших матерей, впрочем, как и Менделеев). Резерфорд стал впоследствии профессором Манчестерского университета. А в 1911 году он предложил новую модель атома. Он утверждал, что основная масса атома находится в тяжелом ядре в центре, вокруг которого по орбитам кружатся электроны, как планеты вокруг Солнца. Безусловно, блестящая концепция! И какая ирония: спустя три столетия возмутительные идеи Коперника, Галилея и Ньютона вошли в научный оборот как нечто совершенно очевидное и естественное. Такое нередко бывает с гипотезами, которые опережают свое время.
Тем не менее не все с моделью Резерфорда было гладко. Если атом представляет собой маленький механизм, что обеспечивает движение в нем? Это что, маленький вечный двигатель, единственный, которым мы располагаем? Планеты, двигаясь по орбитам, постоянно теряют энергию. Следовательно, их орбиты становятся с каждым годом немного меньше, а со временем эти небесные тела непременно упадут на Солнце. Если электроны двигались бы так же, как планеты, то падали бы на ядро. Либо что-то должно предохранять их от постоянной потери энергии. Должен быть какой-то физический закон, который ограничивал бы потерю электроном энергии определенной величиной.
Этот закон Нильс Бор обнаружил в работе Макса Планка, опубликованной в Германии в 1900 году. Планк показал, что в мире, в котором материя состоит из кусочков, энергия тоже должна быть кусочками, или квантами. Сегодня это не кажется таким уж странным, но в начале XX века идея Планка была революционной. Он это отлично осознавал, поэтому однажды, как обычно отправившись с сыном на прогулку, которую академики всего мира совершают после обеда, он сказал ему: «Я совершил революционное открытие, равное по значимости идеям Ньютона». И это было именно так.
В настоящее время задача, которую решил Нильс Бор, кажется нам очень легкой: с одной стороны, он имел модель атома, описанную Резерфордом, с другой — квант, открытый Планком. Что же замечательного в том, что в 1913 году он, будучи двадцатисемилетним молодым человеком, сумел составить современное представление о структуре атома? Ничего, кроме великолепного процесса мышления, великолепной и удачной попытки синтеза. И идеи поискать доказательство в том единственном месте, где оно может быть: в спектре, где поведение атома становится наблюдаемым для нас.
Чудесная, волшебная идея Бора! Внутрь атома мы заглянуть не можем, но есть окно, целый витраж: спектр атома. Каждый элемент имеет собственный спектр, но не непрерывный, как спектр белого света в опыте Ньютона. Спектр имеет некое число ярких линий, которые характеризуют конкретный элемент. Например, у водорода три достаточно яркие линии в видимом спектре: красная, сине-зеленая и синяя. Бор считал, что эти линии — след высвобождения энергии, которая образуется, когда электрон перескакивает с одной из внешних орбит на внутреннюю.
Пока электрон в атоме водорода остается на одной орбите, он энергии не излучает. Каждый раз, когда он перемещается с внешней орбиты на внутреннюю, разность энергий орбит создает квант света. Эти кванты, испускаемые миллиардами атомов одновременно, мы видим как характерную для водорода линию. Красная линия в спектре водорода означает, что поток электронов перескакивает с третьей орбиты на вторую, сине-зеленая черта демонстрирует, что происходит переход с четвертой орбиты на вторую.
Работа Нильса Бора «О строении атомов и молекул» сразу стала классической. Структура атома обрела математическое толкование, как некогда Вселенная Ньютона, и включала квант в качестве дополнительного принципа. Ученый построил мир внутри атома, расширив законы физики, которые выстояли два века после Ньютона. Его возвращение в Копенгаген было триумфальным. Отныне этот город станет постоянным местом его работы. В 1920 году благодарные земляки построят институт, которому присвоят имя Нильса Бора. Сюда, в это солидное научное учреждение, будут съезжаться молодые ученые из Европы, Америки, Дальнего Востока, чтобы обсудить проблемы квантовой физики. В институт часто приезжал из Германии Вернер Гейзенберг. Здесь при поддержке Бора и его учеников он разработал свои самые интересные идеи. По-другому и быть не могло — Нильс Бор не позволил бы никому остановиться на полпути.
Интересно проследить этапы подтверждения боровской модели атома, поскольку они воспроизводят жизненный цикл любой научной теории. Сначала она существует только на бумаге. Для подтверждения модели берутся известные данные. Конкретно, показывается, что у спектра водорода есть линии, давно известные, расположения которых соответствуют квантовым переходам электрона с одной орбиты на другую.
Следующий этап исследований — расширенное подтверждение нового феномена. В нашем случае это линии в высокоэнергетической рентгеновской области, невидимой глазу, но образуемой таким же образом электронными скачками. Этой работой занималась в 1913 году лаборатория Резерфорда и достигла прекрасных результатов, подтвердив все предсказанное Бором. Эксперимент проводил Гарри Мозли, двадцатисемилетний очень одаренный физик, к великому сожалению, не смог сделать в науке ничего, потому что в 1914 году был призван в армию и трагически погиб в 1915 году в ходе тяжелых боев на полуострове Галлиполи (Турция). Дарданелльская операция стоила жизни многим молодым людям, например поэту Руперту Бруку. Работа Мозли, как и Менделеева, предполагала отсутствие некоторых элементов, и один из них был открыт в лаборатории Бора и назван гафнием, по латинскому названию Копенгагена. Бор объявил о своем открытии в нобелевской речи в 1922 году. Тема его выступления знаменательна, потому что в ней Бор в деталях описал то, что почти поэтически изложил в другом выступлении, а именно как понятие кванта постепенно привело к систематической классификации видов стационарных связей электронов внутри атома, предлагая полное объяснение особенных отношений между физическими и химическими свойствами элементов, нашедших выражение в знаменитой периодической таблице Менделеева. Такая интерпретация свойств материи реализует и даже превосходит мечты пифагорейцев, создавших древний идеал сокращенной формулировки законов природы, изложенной в простых числах.
