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

Датский физик первой половины XIX века Ханс Кристиан Эрстед известен как один из первых исследователей, доказавших тесную связь электричества и магнетизма и объединивших таким образом две науки в одну — электромагнетизм. Почти случайно в 1820 году Эрстед заметил, что при включении и выключении электрической цепи стрелка на компасе рядом с прибором отклоняется. Это подтверждало, что электрический ток и магнитные колебания — явления, связанные между собой. Примечательно, что эта связь проявляется только при включении или выключении прибора, а также при изменении силы электрического тока. Следовательно, не собственно ток, а его изменения влияют на земное магнитное поле и заставляют стрелку отклоняться.

Эрстед проводит электромагнитный эксперимент в Копенгагенском университете.

Организация науки и научных учреждений — вопрос постоянных изменений. Возможно, читатель думает, что лучшее место для получения научного образования — университет. Но это не всегда так, и уж точно так не было в большей части западного мира до XIX века. Современная наука — результат долгого и разностороннего процесса, в котором университет скорее создавал помехи, чем оказывал поддержку.

В Англии, Испании и Италии XIX века университеты играли, если можно так сказать, консервативную роль, и их главной целью было оставаться местом воспитания духа, обучения интеллектуальной дискуссии. Другими словами, в этих странах университет в большей степени стремился сохранять и передавать знание, чем созидать его. Так, в викторианской Англии наука была увлечением буржуазии и среднего класса, а эксперименты проводились в частных лабораториях.

В Германии и Франции, напротив, в тот же период был создан новый тип университета, больше похожий на известный нам сегодня, где преподавание и исследование (чистое и прикладное) взаимосвязаны и составляют самую суть высшего образования. Университет отдалился от статичного учреждения, и его постоянные реструктуризации (появление новых лабораторий, новых академических дисциплин и новых ученых степеней) способствовали обогащению учебного процесса.

В случае с Копенгагенским университетом в начале XX века было очевидно, что учреждение требует реформ ввиду серьезных недоработок. В штате был только один профессор физики, да и тот читал курс студентам-медикам, в университете отсутствовали и оборудование, и лаборатории для проведения экспериментов. Любое исследование студенты были вынуждены реализовывать в частных лабораториях или на производстве. Так, чтобы представить работу по физике на научный конкурс, поступивший в университет в 1903 году Бор работал в лаборатории отца, с ограничениями, которые это налагало. Тем не менее он получил золотую медаль за этот единственный эксперимент в жизни, поскольку его интерес и способности всегда были сосредоточены на теоретической физике.

Теоретическую физику можно определить как попытку найти законы и соответствия в природе на основе экспериментальной информации, полученной кем-то другим. При помощи интуиции и высшей математики теоретическая физика стремится заключить различные явления в рамки единой концепции. Можно сказать, хотя это и анахроничное утверждение, что теория гравитации Исаака Ньютона (1643-1727) является продуктом теоретической физики. Конечно, английский мыслитель не был первым, кто увидел, как падают яблоки, но именно он объединил движение свободного падения и движение планет в один математический закон — закон тяготения. Для этого ему не потребовалось ставить новые эксперименты и проводить другие наблюдения: было достаточно взять данные об орбитах Кеплера или данные по траекториям снарядов. Ньютон гениально увязал оба типа явлений и доказал, что они соответствуют одной формальной модели.

В теоретической физике математика играет центральную роль, поэтому ее не сразу признали полноправной научной дисциплиной, считая ее частью математики. Даже сегодня, например, в Кембриджском университете теоретическая физика включена в курс математики. Ее рассматривают как прикладную математику, поскольку обычная работа физика-теоретика заключается в развитии принципов и теорий математически — чтобы получить прогнозы и лишь затем сопоставить их с опытом. Таким образом можно обнаружить новые явления или отношения, объединяющие те явления, которые прежде считались независимыми друг от друга.

Теоретическая физика также имеет тесную связь с традиционным представлением о философии. Если экспериментальная наука сосредоточивается на конкретных и специфических явлениях (невозможно экспериментировать со «всем»), то задача теоретической физики — пойти дальше конкретных случаев и задаться обобщающими вопросами: что общего между рядом внешне различных явлений? какова их конечная причина? какова конечная природа материи? Понятно, что ответы теоретической физики не настолько обширны, как ответы философии, так как первая ограничена математическим языком, но (и это будет очевидно в случае Бора) переход из одной в другую — совсем не редкость.

Именно в Германии возникли первые специализированные кафедры теоретической физики. Это соединение философии, прикладной математики и косвенной связи между данными наблюдаемого приобрела там академический статус, который постепенно распространился на страны германского влияния. Когда Бор поступил в университет, эта тенденция еще не дошла до Копенгагена, и решение посвятить себя теоретической физике было продиктовано не доброй волей студента или профессора физики, а следствием отсутствия экспериментальных средств или исследовательских лабораторий.

Весной 1911 года Нильс Бор закончил докторскую диссертацию о поведении электронов в металлических материалах. Мы вернемся к этому вопросу в конце главы, но для начала нужно прояснить, чем считались атомы и электроны в начале XX века. Проанализируем вклад первых ученых, работавших в этой области.

Кто же открыл атомы и электроны? И что значит слово «открыть»? Хотя оно и является общеупотребительным, объяснить его довольно трудно. Задача ученых состоит не в том, чтобы «открывать», то есть внезапно поднимать воображаемый скрывающий действительность занавес, как фокусник вытаскивает кроликов из цилиндра. Совсем наоборот. Обычно открытия — это продолжительные процессы, в которых задействованы множество людей в различных местах; только для простоты их приписывают одному человеку в конкретном месте в конкретное время.

Это особенно верно в случае с атомами. В научно-популярной литературе историю атомизма обычно рассказывают следующим образом. Древние греки Демокрит и Левкипп, а позже и римлянин Лукреций предположили, что, возможно, мир состоит из неделимых, неразрушимых и неразличимых атомов, произвольные движения которых объясняют изменения макроскопического мира. Эту историю продолжает скачок протяженностью в 18 веков, в ходе которых развитие научного атомизма вытеснялось альтернативными идеями. Хотя этот способ представления фактов и привлекателен, он в корне неверен, поскольку современное понятие об атоме не имеет никакой связи с тем древним представлением, кроме общего слова.

Традиционная история представляет современный атомизм плодом исследований британского ученого Джона Дальтона (1766-1844). Это верно, хотя предпочтительно избегать слова «открытие», поскольку это может навести на мысль, будто Дальтону удалось «увидеть» атомы через мощный микроскоп. Но это крайне далеко от реальности, поскольку атомы нельзя увидеть и сегодня, даже с помощью самого продвинутого микроскопа: они слишком малы. Как же Дальтон пришел к выводу о том, что материя состоит из атомов?

Нет ничего удивительного в том, что Дальтон, привычный к туманам и дождям Манчестера, заинтересовался конденсацией водяного пара, концентрацией воды в атмосфере, влиянием атмосферного давления и температуры на относительную влажность воздуха. С 1799 по 1805 год Дальтон представил ряд работ по этим темам, в которых заложил основы своего атомизма. Примечательно, что теория материи Дальтона родилась из наблюдения не твердых тел, а жидкостей и газов.

Изучение жидкостей и газов стало центральной темой его исследований: с учетом того, что разница между этими состояниями только качественная, по своим свойствам жидкости и газы сходны — все это флюиды. Одно из первых свойств, провозглашенное Дальтоном: давление и температура флюида прямо пропорциональны — чем выше температура, тем выше давление. Кроме того, процесс испарения связан с давлением, которое оказывают друг на друга газ и жидкость. Много лет считалось, что испарение газа подобно растворению твердого тела в жидкости, но поведение жидкостей в вакууме (где они также испаряются) поставило под сомнение эту теорию.