Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

Кроме того, эллиптические орбиты не были статичными, их ось вращалась (это называется «прецессионным движением», как в случае с волчком), из-за чего было введено другое квантовое число. Зоммерфельд предположил, что это прецессионное движение также управляется квантовыми скачками, то есть что не все положения орбит возможны, а только те, чей оборот кратен постоянной Планка. Таким образом, от одного квантового числа в начальной модели Бора состоялся переход к трем, к числам, соответствующим скачку энергии, эксцентриситету орбиты и прецессионному движению.

РИС 3

РИС. 4

Все орбиты на рисунке 3 (обозначенные как s,p и d) имеют одну и ту же энергию, но различный эксцентриситет. Из-за этого скорость электронов изменяется, также, в соответствии со специальной теорией относительности, меняется модель их поведения, что порождает новое квантовое число, а следовательно и дублетность и триплетность спектральных линий определенного энергетического уровня. Наконец, каждая эксцентричная орбита (см. рисунок 4) может вращаться в плоскости своего вращения, и это дает третью степень свободы, которую связали с третьим квантовым числом.

С учетом глубокого интереса Зоммерфельда к спектральным линиям, его великая книга, в которой представлены его улучшения атома Бора, получила называние Atombau und Spektrallinien («Строение атома и спектры»). С 1919 по 1929 год книга выдержала пять переизданий (каждое из них было толще предыдущего) и стала для многих физиков источником знаний в области квантовой физики.

ГЛАВА 3

Катализатор квантового мира

Введением постоянной Планка в структуру атома Бор обобщил так называемый «принцип соответствия», который связывал традиционную физику с новыми квантовыми принципами. Но в середине 1920-х годов эта связь была прервана, уступив место драматичному повороту в самом представлении о том, что такое физика. События развивалась под покровительством Бора и положили начало тому, что получило название «копенгагенской школы».

Первая мировая война закончилась в ноябре 1918 года. Версальский договор, подписанный в июне следующего года, преобразил карту Центральной Европы до неузнаваемости: полностью исчезла Австро-Венгерская империя, была унижена Германия. Экономический, политический и культурный бойкот, который победители объявили побежденным, больше походил на реванш, а не на мир. Многие британские и французские ученые считали своим патриотическим долгом прекратить всякое общение с немецкой наукой. Отменились подписки на немецкие журналы, а немецким исследователям было отказано в участии в британских и французских конгрессах. Первым, кто нарушил эти правила, был британец Артур Эддингтон (1882-1944), квакер и пацифист, подтвердивший в 1919 году общую теорию относительности Эйнштейна, физика немецкого происхождения.

Поскольку Дания сохраняла нейтралитет в конфликте, Бор увидел в этом стечении обстоятельств возможность превратить свой недавно созданный Институт в Копенгагене в мировой центр теоретической физики, в место, где ученые со всего мира смогли бы быть свободными от политических предубеждений. Поскольку учреждение было новым, Бор создал его по своему усмотрению. В его центре отсутствовала иерархия, здесь не прекращались споры и обмен идеями, среди ученых, которые были в основном моложе Бора, поддерживалась неформальная обстановка, требовалось ставить под сомнение любую идею и доводить до конца любую гипотезу. Благодаря финансированию из фондов «Карлсберг» (датского) и «Рокфеллер* (американского), Бор был волен пригласить кого угодно провести в Институте несколько дней, месяцев или лет.

Карьера Нильса Бора тесно связана с пивом. У физика не было проблем с алкоголем, просто за его научными проектами всегда стоял фонд «Карлсберг» (одна из старейших в Европе филантропических организаций, поддерживающих науку). Якоб Кристиан Якобсен, владелец крупнейшей пивоваренной компании в Дании, создал этот фонд в 1876 году, и его начальный капитал составил один миллион датских крон, но эта сумма быстро увеличивалась. Тогда было установлено, что значительная часть акций фонда будет направлена на поддержку науки в Дании. Великолепный особняк Якобсена в пригороде Копенгагена передали в дар фонду, и резиденция стала самым влиятельным местом в развитии науки и искусства того времени. Нильс Бор занимал этот особняк с 1932 года до своей смерти в 1962 году. В1995 году здание изменило свою функцию, и сегодня это лекционный центр.

У Института в Копенгагене была еще одна причина стать мировым центром теоретической физики: осенью 1922 года Бор получил Нобелевскую премию. Шведская Академия предпочла отложить вручение премии предыдущего года, и это было на руку Бору. Премию ему присудили одновременно с лауреатом 1921 года Альбертом Эйнштейном (Бор получил награду за работу в области структуры атома, а Эйнштейн — за интерпретацию фотоэлектрического эффекта). Это совпадение стало удачным, поскольку Нобелевская премия тогда еще не была медийным явлением. Кроме того, в первые годы Академия наук не всегда отмечала ценность работы лауреата, а зачастую использовала премию для привлечения внимания к научному потенциалу Швеции. Так как Эйнштейн был на тот момент медийной персоной, вручение Нобелевской премии привлекло внимание журналистов, хотя новость сводилась к тому, что немецкий физик получил крупную премию, без уточнения, что она именно Нобелевская. В любом случае, имя Нильса Бора тогда появилось в международной прессе как удостоившегося той же награды, что и Эйнштейн.

После этого Бору стали оказывать многочисленные почести и вручать премии в самых разных странах. Ему делали соблазнительные предложения возглавить кафедры более значимые, чем институт в маленькой Дании. Из Берлина, едва утихли послевоенные беспокойства, Макс Планк дал ему знать, что немецкая академия наук готова предложить ему хорошо финансируемую кафедру, подобную эйнштейновской, где он будет волен делать все что хочет. Лондонское Королевское общество пообещало Бору кафедру с жалованьем, в три раза превосходившим его жалованье в Копенгагене, не считая существенной суммы на учреждение собственного исследовательского центра в любом уголке Англии. Последнее предложение было самым аппетитным: работать бок о бок с другом и уважаемым учителем Эрнестом Резерфордом, директором Кавендишской лаборатории, было более чем заманчиво. Однако верность своему городу и своей стране победила, и Бор остался в Дании.

Практически с самого начала Институт стал не только центром академической жизни Бора, но также и жизни семейной. Два верхних этажа великолепного здания Нильс и Маргрет превратили в свое жилье и таким образом стерли границы между профессиональным и частным. Там же родились их дети: Кристиан, первенец, в 1916 году, Ханс Хенрик в 1918-м, Эрик в 1920-м, Оге Нильс в 1922-м, Эрнест Давид в 1924-м и младший, Харальд, в 1928 году. Как вспоминал один из сыновей Бора, у них было много «дядей»: дядя Крамере, дядя Клейн и дядя Гейзенберг считались членами семьи.

Нильс Бор и Арнольд Зоммерфельд работали над объяснением атомных спектров на основе квантовой атомной модели. То, что в 1913 году было лишь введением ограничения возможных скачков между различными атомными орбитами (круговыми в изначальной модели), постепенно усложнялось, пока не появились еще два ограничения: одно — для возможного эксцентриситета электронных орбит, и другое — для прецессионного движения этих орбит. Атом Бора — Зоммерфельда, как его называли, давал достаточно удовлетворительные результаты в предсказании спектра относительно простых атомов.

Но многие не согласились с этими новшествами. Главным камнем преткновения стало то, что Бор не мог дать никакого объяснения предложенной им модели. Скачки энергии и форма электронных орбит были ограничены постоянной Планка, но почему? Казалось, что это случайная, созданная лишь для конкретной цели гипотеза, лишенная какого-либо обоснования. Так, венский физик Пауль (1880-1933) заявил в 1913 году, что если физика и дальше будет развиваться подобным образом, то лучше оставить эту дисциплину. После экспериментального успеха модификаций, введенных Зоммерфельдом, Эренфест написал ему: 

«Хотя я все еще считаю ужасным, что эти успехи способствуют утверждению чудовищной модели Бора, желаю вам большой удачи в развитии физики в Мюнхене». 

В числе неудовлетворенных новой моделью был сам Бор. Его представление о физике основывалось на выведении формулировок базовых и основополагающих принципов, которые объясняли бы максимально возможное количество событий.