Интерес к теории Бора ничего не изменил в положении молодого преподавателя. В марте 1914 года Бор с горечью написал своему шведскому другу: «Занимаемая мною должность не предусматривает предоставления мне какой-либо лаборатории… Мои обязанности сводятся к преподаванию физики студентам-медикам и не имеют ничего общего с научными исследованиями; у меня нет никакой возможности получить учеников или ассистентов». Бор сообщил, что добивается открытия вакансии преподавателя по теоретической физике, но «факультет постоянно противится учреждению этой должности».
Бор оказался не только гениальным учёным, но и прекрасным организатором. За несколько лет он преодолел консерватизм датских научных кругов, стал профессором физики и добился выделения средств на создание современной лаборатории.
К 1920 году Нильс Бор сумел построить в Копенгагене Институт теоретической физики, который на многие десятилетия стал центром притяжения физиков-теоретиков и сейчас носит имя учёного. В 1922 году ему дали Нобелевскую премию по физике, а химический элемент номер 107, полученный в 1976 году в Дубне, назвали борием.
У Бора были свои представления о смелости научных теорий. Однажды он сказал знаменитому Паули про его новую теорию, которую тот изложил на семинаре: «Мы все считаем, что ваша теория безумна. Единственно, что нас беспокоит, – достаточно ли она безумна, чтобы быть правильной».
Ландау сказал про Бора: «У него была абсолютная безбоязненность нового, пусть самого невероятного и фантастического, на первый взгляд… У него был вечно молодой мозг».
Бор вошёл в историю как человек, сумевший проникнуть в главную тайну природы, связать строение крошечного атома и излучение огромных звёзд, перебросить мост между берегом старой классической физики и новой неизвестной землёй – квантовой физикой. По этому мосту устремилась армия молодых учёных, которые за несколько лет создали новую физику. Бурное время создания квантовой картины мира сейчас называют научной революцией.
Хотите узнать, что открыли учёные на новом берегу квантовой механики?
– Да! – воскликнула Галатея.
– Тогда поговорим об этом завтра.
Нильс Бор (1885–1962) – гениальный датский физик, один из основателей современной науки. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922).
Иоганн Бальмер (1825–1898) – швейцарский математик и физик. В 1885 году вывел формулу, описывающую расположение спектральных линий водорода в видимом диапазоне (серия Бальмера).
Теодор Лайман (1874–1954) – американский физик, вместе с Виктором Шуманом (1841–1913) открывший в 1906 году серию ультрафиолетовых линий водорода (серию Лаймана).
Фридрих Пашен (1865–1947) – немецкий физик, в 1908 году открывший инфракрасную серию линий водорода (серию Пашена).
Иоганн Ридберг (1854–1919) – шведский физик, который вывел общую формулу, описывающую длины волн для всех серий спектральных линий водорода и водородоподобных атомов.
Дьёрдь де Хевеши (1885–1966) – известный венгерский химик, один из открывателей химического элемента гафния. Лауреат Нобелевской премии по химии (1943).
Хендрик Лоренц (1853–1928) – нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902), вместе с Питером Зееманом.
Вольфганг Паули (1900–1958) – знаменитый немецкий физик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1945).
Лев Ландау (1908–1968) – знаменитый советский физик-теоретик. Считал себя учеником Бора, с которым работал в Копенгагене. Лауреат Нобелевской премии по физике (1962).
Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире
Дзинтapa открыла книгу и прочитала:
– «Что вы думаете, принц, об этих странных квантах господина Планка?
– Я решил посвятить все свои силы выяснению истинной природы этих таинственных квантов, глубокий смысл которых ещё мало кто понимает.
– Это смелый шаг, принц!»
Галатея вытаращила глаза:
– Ты что читаешь? Здесь сказки слишком перепутались с наукой! Разве принцы обсуждали квантовые проблемы?
– Да, по крайней мере один из них, – Луи де Бройль, рожденный в династии французских герцогов и носивший титул князя, или принца Священной Римской империи. Семья герцогов де Бройль была богата и влиятельна, и Луи, младшему из пятерых детей, прочили большое политическое будущее. Но юного принца не привлекала военная и дипломатическая карьера, привычная для представителей его рода. Вместо этого, прочитав записи дискуссии Сольвеевского конгресса 1911 года, где обсуждались кванты Планка, девятнадцатилетний принц решил посвятить себя теоретической квантовой физике.
– Видимо, он счёл это достаточно аристократическим занятием, – решила Галатея.
– Сестра Луи де Бройля, графиня де Панж, писала в своих мемуарах про превращение принца в учёного: «Дружелюбный и очаровательный маленький князь, которого я знала на протяжении всего детства, навсегда исчез. С решимостью и поразительной смелостью он постепенно, с каждым месяцем, превращал себя в строгого учёного, ведущего монашескую жизнь».
Луи закончил университет в 1913 году, но вскоре началась Первая мировая война, которая прервала его научные занятия. Луи отслужил шесть лет в армии и лишь после этого вернулся к любимой физике. В 1924 году он написал диссертацию «Исследование теории квантов», где высказал поразительную по смелости идею. Известно, что свет обладает не только характеристиками волны, но и свойствами частиц, или квантовыми свойствами. Де Бройль предположил, что и материальные частицы – например, электроны – тоже обладают как свойствами частиц, так и волн.
– Частицы обладают свойствами волн? – не поверила услышанному Галатея.
– Да, причём любые. Учёный приравнял энергию частицы к известному планковскому выражению hv и получил, что чем больше энергия частицы, тем больше частота её волны, а значит, длина волны меньше. Только волна эта не обычная, не похожая на электромагнитную.
Её нередко называют «волной вероятности»: она описывает вероятность нахождения частицы или любого тела в той или иной точке пространства.
– Я тоже обладаю волновыми свойствами? – удивился Андрей.
– Да, и ты тоже. Но волна, соответствующая такому большому телу, как твоё, очень короткая и не может быть измерена обычными методами, зато волновые свойства электрона засечь возможно.
– Я полагаю, что моя волна гораздо больше, чем волна Андрея, – заявила Галатея.
– Конечно, ведь твоя масса меньше, – согласился брат.
– Не только поэтому! – хитро улыбнулась сестра. – Ты ещё очень твёрдый и неподатливый. А я… а я… вся воздушная и волнистая!
Дзинтара продолжила:
– Ученик и сотрудник де Бройля Жорж Лошак писал о стиле работы своего учителя: «Для Луи де Бройля характерно интуитивное мышление посредством простых, конкретных и реалистических образов, присущих трёхмерному физическому пространству… Отдавая себе отчёт в силе и строгости абстрактных рассуждений, он вместе с тем убеждён в том, что вся суть всё-таки в конкретных образах, всегда неясных и неустойчивых, без конца пересматриваемых и чаще всего отвергаемых как более или менее ложные… Для де Бройля понимать – значит наглядно представлять».
В 1920-х годах диссертация де Бройля действительно выглядела необычной – в ней был минимум математики и гениальное понимание сути процесса вместе с его наглядным представлением. В это время в теоретической физике царили сложные математические теории вроде общей теории относительности. В середине 1920-х годов за развитие квантовой механики взялись такие люди, как Шрёдингер, который воспользовался идеей де Бройля для развития волновой теории электрона; Дирак, Гейзенберг и многие другие, применявшие в своих исследованиях самые разнообразные и очень сложные математические методы. Работа де Бройля оказалась, наверное, последней в теоретической физике, где важные выводы были достигнуты сочетанием скромной математики и смелого мышления.
Эйнштейн рекомендовал Максу Борну диссертацию де Бройля в таких выражениях: «Прочтите её! Хотя и кажется, что её писал сумасшедший, написана она солидно». Сам де Бройль писал в своей книге «Революция в физике»: «Но если осторожность – мать безопасности, то судьба улыбается лишь отважным».
Научная смелость де Бройля была в какой-то степени связана с его финансовой независимостью. Один из учёных начала XXI века, пожелавший остаться анонимным, сказал: «Жил бы де Бройль на гранты, чёрта с два он сказал бы, что „частица – это волна“!»
Де Бройль предположил, что раз электрон имеет свойства волны, то он должен быть подвержен явлению дифракции, типичной для световых волн. Верность вывода учёного о волновых свойствах частиц подтвердили эксперименты американских физиков Дэвиссона и Джермера в 1926 году. Они показали, что тонкий пучок электронов, падая на кристаллическую решётку никеля, отражается от неё точно так же, как рентгеновское излучение с той же длиной волн.
– То есть длина волны у электрона такая же заметная, как и у рентгеновского излучения? – уточнил Андрей.
– Да. Независимо от Девиссона и Джермера дифракционные свойства электрона продемонстрировал англичанин Джордж Томсон, сын знаменитого открывателя электрона Джозефа Томсона. К настоящему времени открыто немало примеров проявления волновых свойств электронов и других частиц. Сейчас волны де Бройля интерпретируются как волны вероятности, описывающие распределение частицы, например электрона, в пространстве. Положение электрона принципиально непредсказуемо, «размазано» по пространству. Такова современная интерпретация, но пока никто в мире не может утверждать, что это последнее слово в квантовой механике. Часть учёных продолжают думать вслед за Эйнштейном, что должна существовать детерминистическая теория движения электрона, избавленная от принципиальной случайности.
– Что такое детерни… детерминистическая теория? – спросила Галатея.