Нильс Бор. Квантовая модель атома

ГЛАВА 1 Бор играет с электронами

По мере своего развития наука погружалась в сферу все более мелких частиц: сперва атомов, а затем крошечных электронов. В начале XX века электроны были недавним открытием и представляли собой целую вселенную, которую требовалось исследовать. Им и посвятил свою докторскую диссертацию молодой Нильс Бор, показав себя подающим надежды и оригинальным ученым.

Нильс Бор провел свои первые исследования в Дании, в маленькой по сравнению с крупными европейскими державами XIX века стране. Это небольшое скандинавское государство — родина викингов и колыбель писателей вроде Ханса Кристиана Андерсена (1805-1875), чьи сказки снискали мировую славу, философа-экзистенциалиста Сёрена Кьеркегора (1813-1855) и Карен Бликсен (1885-1962), которая подписывала свои работы псевдонимом Исак Динесен. Среди знаменитых датских ученых выделяются астроном Тихо Браге (1546- 1601), физики Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851), чьи работы по нахождению связи между электричеством и магнетизмом сделали его одним из родоначальников электромагнетизма, и Людвиг Валентин Лоренц (1829-1891), прославившийся работами в областях оптики, электричества и термодинамики. К этому списку известных лиц следует добавить Нильса Хенрика Давида Бора, одного из самых влиятельных датчан в истории XX века.

Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в неоклассическом особняке в центре Копенгагена, который его дед со стороны матери, состоятельный еврейский банкир, купил примерно десятью годами ранее. Его отец, Кристиан Бор (1855-1911), читал лекции по физиологии в Копенгагенском университете, где был профессором и ректором, следуя академической традиции, установленной семейством Боров в XIX веке. Так, Кристиан Фредрик (1773-1832) являлся членом Академии наук Швеции и Норвегии; Петер Георг (1776-1846), прадедушка Нильса, читал лекции по теологии, а Хенрик Георг Кристиан (1813— 1880), дедушка, был профессором и ректором гимназии Вестенске в Копенгагене. Все это позволяет представить Нильса как члена обеспеченной интеллектуальной семьи конца XIX века.

Его мать, Эллен Адлер (1860-1930), принадлежала к первому поколению датчанок, которым было разрешено обучаться в университете, хотя и с некоторыми ограничениями. В академических кругах считалось, что эта уступка по отношению к «слабому полу» может снизить качество университетского образования. Чтобы гарантировать женщинам успех в обучении, им была выделена дополнительная помощь в лице персональных наставников. Так Эллен познакомилась с преподавателем физиологии Кристианом Бором, который затем стал ее мужем.

В этом браке Нильс был вторым сыном. За два года до него родилась Дженни (1883-1933), которая, следуя по стопам матери, получила университетское образование в Копенгагене и Оксфорде. Здоровье иногда не позволяло этой девушке нервического склада отдаваться любимой работе, преподаванию. Через два года после Нильса родился его брат Харальд (1887- 1951). Между двумя братьями с детства установилась дружба, остававшаяся неизменной всю жизнь. Именно из писем к брату мы узнаем о некоторых подробностях первых приключений Нильса Бора за пределами Дании. Харальд стал блестящим математиком (профессором Копенгагенского университета) и лучшим футболистом, чем его брат, он даже был в составе сборной Дании на Олимпийских играх 1908 года в Лондоне.

Именно в отчем доме Нильс и Харальд сделали свои первые шаги в интеллектуальной жизни. К их отцу часто приходили профессор физики Кристиан Кристиансен (1843-1917), философ Харальд Хёффдинг (1834-1931) и лингвист Вильгельм Томсен (1842-1927), чтобы в неформальной обстановке обсудить самые разные темы. Обоим братьям разрешалось присутствовать при этих разговорах и даже участвовать в них, задавать вопросы и критиковать. Так укрепились некоторые свойства научной работы Бора: его страсть идти до конца, его стремление учитывать максимально возможное число точек зрения и не оставлять нерешенных задач.

Тихо Браге — один из значимых астрономов эпохи Возрождения наряду с Коперником, Кеплером и Галилеем. Он родился в 1546 году в шведской провинции Сконе, принадлежавшей в ту пору Дании. Король даровал ученому остров Вен, где тот построил, пожалуй, лучшую обсерваторию своего времени, снабдив ее гигантским квадрантом для чрезвычайно точного измерения видимых диаметров звезд.

Как на современной фабрике, каждый сотрудник на острове решал определенную задачу (будь то наблюдение с помощью квадранта или последующие математические расчеты), и всех их контролировал вездесущий Браге. В конце XVI века, когда астрономы разделились на сторонников классической модели космоса (в которой все планеты вращаются вокруг Земли) и новой модели Коперника (с Солнцем в центре), Тихо Браге предложил третий вариант. Он заявил, что Земля находится в центре Вселенной, вокруг нее движутся Солнце и Луна, а остальные планеты перемещаются вокруг вращающегося Солнца (как показано на рисунке). Интересно заметить, что в XX веке аналогия между планетарными системами и атомной структурой была источником проблем, и Нильс Бор оказался первым, кто положил конец этому уподоблению перемещения электронов в атоме движению светил в космосе.

В 1903 году Нильс поступил в Копенгагенский университет, чтобы изучать физику, хотя этот предмет был не единственным его увлечением в студенческие годы. Вместе с братом и дюжиной приятелей, получавших самое разнообразное образование, они создали философский клуб «Эклиптика», в некоторой степени воспроизводивший виденное ими дома. Это был междисциплинарный клуб, где молодые люди обсуждали различные серьезные научные вопросы в неформальной дружеской обстановке. На этих собраниях проявилась еще одна черта Бора: сосредоточившись на конкретной проблеме, он говорил все тише, пока не переходил на шепот. (Нильс Бор едва различал процессы мышления и говорения, так что очень часто его слова были почти неслышны.) Из этого клуба со временем вышли профессор филологии, профессор психологии, три директора национальных музеев, директор Института геодезии, экономисты и один посол Дании.

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.

Джон Дальтон, отец современной атомной теории, представлял собой архетипического британского естествоиспытателя XIX века. Выходец из семьи квакеров, он не мог попасть в университет, который в ту пору оставался доступным только адептам англиканской церкви. Дальтон был самоучкой и проводил свои исследования по газам в стесненных условиях.

Однако по мере того как признавалась важность и польза атомной теории, авторитет Дальтона возрастал. Некоторые университеты предоставили ему почетные титулы, король Георг вручил медаль в награду за его работу, а различные иностранные общества назвали его своим почетным членом. В 1833 году, в возрасте 67 лет, он получил пожизненную пенсию. Но ничто из этого не изменило его простых привычек. Дальтон жил в Манчестере с 1793 года, когда город прогрессировал в ритме промышленной революции. Опасаясь того, чтобы этот прогресс не ограничился экономической сферой, местная буржуазия поддерживала художников, философов и ученых, которые помогли бы приравнять Манчестер к крупнейшим аристократическим центрам Англии. Дальтон справлялся с этой миссией, и памятник в его честь был воздвигнут еще при жизни исследователя. Это не только воздаяние почестей, но и стремление нанести Манчестер на культурную карту и доказать, что экономическое развитие предполагает также развитие научное. Дальтон скончался у себя дома 27 июля 1844 года. По завещанию ученого было произведено вскрытие его тела, в ходе которого подтвердилась его теория относительно причин особенности зрения, сегодня известной как дальтонизм. Похороны стали публичным событием неслыханного масштаба для ученого, ведшего столь скромную жизнь. Около 40 тысяч человек вышли на улицы города фабричных труб, чтобы почтить того, кого они сами сделали символом Манчестера.

Изучая испарение, Дальтон заинтересовался другим вопросом, а именно составом воздуха. На протяжении веков люди науки полагали, что атмосферный воздух — это единственный чистый газ. Согласно древней теории, атмосферный воздух — одна из четырех стихий, наряду с водой, огнем и землей. Французский ученый Антуан Лавуазье (1743-1794) показал, что на самом деле воздух состоит по крайней мере из двух элементов. Оставалось понять, как именно соединяются различные газы. Первым вариантом была химическая реакция, то есть предположение, что воздух — это вещество, продукт взаимодействия составляющих его газов. Но Дальтон отверг эту теорию. Его метеорологические наблюдения показали, что различные типы газов соединяются, не теряя своих свойств.

На основе этой идеи он провел измерения давления газов, состоящих из разных веществ, и пришел к выводу, что давление, оказываемое определенным объемом газа, не зависит от того, какие газы находятся в том же объеме. Другими словами, давление, оказываемое составным газом, — это сумма значений парциального давления каждого из его компонентов. Так, пользуясь современной терминологией, общее давление атмосферного воздуха равно сумме давлений, которые оказывают по отдельности кислород, азот и остальные газы, входящие в состав атмосферы. Тот факт, что газы представлены вместе, не влияет на давление, которое оказывает каждый из них. Это называется «законом парциальных давлений», или «законом Дальтона».

Использование весов, столь важных в работах Джозефа Пристли (1733-1804) и Антуана Лавуазье, также было определяющим для Дальтона. С 1800 по 1808 год исследователь провел точные и системные измерения некоторых химических реакций и на их основе сформулировал закон кратных отношений. Иногда два элемента реагируют друг с другом различным образом, и получаются различные сложные вещества. Это случай кислорода и углерода, которые могут образовывать монооксид углерода (СО) или диоксид углерода (СO₂). Масса кислорода, реагирующая с постоянной массой углерода, сохраняет простое числовое отношение (2:1). Так, для каждых 100 г углерода нужно 133 г кислорода, чтобы образовать СО, и 266 г — чтобы образовать СО₂. Это простое отношение, но его можно определить, только когда в распоряжении имеются точные измерительные приборы.

Молодой Нильс Бор с матерью, Эллен Адлер, происходившей из состоятельной еврейской семьи с многочисленными связями в банковской и политической сферах.

Датский ученый в Копенгагенском университете, 1920-е годы.

Веру в то, что материя состоит из атомов, вновь пробудил авторитет Ньютона. Но каковы эти атомы? Вклад Дальтона состоит в том, что он утвердил атомную теорию, совместимую с наблюдениями за газами и химическими реакциями. Закон кратных отношений, казалось, говорил о том, что атомы определенного вещества отличаются от других атомов массой. Можно было представить, что каждый химический элемент характеризуется массой его атомов. Дальтон допускал, что атомы — это твердые шарики, окруженные атмосферой тепла. Основываясь на своем законе парциальных давлений, он также решился предположить, что кроме массы, у атомов есть и другая характеристика — размер.

Наблюдения за смесями газов привели его к выводу, что при соединении различные газы сохраняют некую независимость друг от друга. Таким образом, вклад каждого газа в общее давление независим от прочих смешанных газов. Это навело его на мысль, что причина подобной независимости заключается в различном объеме атомов, входящих в состав газа. Атомы достигают равновесия с другими атомами такого же размера, но это равновесие невозможно с другими типами атомов.

С усовершенствованием весов и прочих измерительных приборов Лавуазье и Дальтон, среди прочего, сумели сформировать новую химию. Атомная гипотеза, принятая лишь частично, позволила выделить новые вещества (24 из них были отделены с 1800 по 1850 год: алюминий, кальций, литий, магний, калий, кремний...). В 1860 году в немецком городе Карлсруэ международное научное сообщество предприняло попытку навести порядок в хаосе, вызванном появлением стольких новых «действующих лиц».

Атомная теория Дальтона обеспечила истории атомизма главный элемент: представление о том, что масса — одна из основных характеристик атома. С 1805 года Дальтон прокомментировал свою теорию в Манчестерском литературно-философском обществе, а затем в университетах Глазго и Эдинбурга. В качестве дидактического материала он приводил таблицу, в которой атомы некоторых элементов представлены в виде шариков различной структуры, упорядоченных в зависимости от их массы. Номер (масса), результат измерения на весах, впервые превратился в критерий для упорядочивания химических веществ. Следуя алхимической традиции, Дальтон определил специальный символ для каждого типа атомов; сегодня мы пользуемся буквами (С — углерод, Hg —ртуть и так далее).

Страница книги Дальтона «Новый курс химической философии» (1808), на которой представлены символы, использованные им для обозначения каждого из атомов (вверху). Внизу приведены символы сложных веществ, образованных двумя или более атомами.

[Этот съезд] позволит прийти к согласию в определении важных химических понятий, которые выражаются словами «атом», «молекула», «эквивалентность», «атомный» и «базовый», [...] а также установить единые обозначение и номенклатуру.

Приглашение на Съезд в Карлсруэ

Съезд в Карлсруэ в 1860 году стал первой международной встречей химиков в истории и имел чрезвычайную важность для развития химии как научной дисциплины. Алхимия всегда была особым знанием, передаваемым из уст в уста практически по секрету. Характеристика материальных веществ в зависимости от их свойств делала материю чем-то таинственным и закрытым, и это знание было доступно немногим. С появлением точных весов химические вещества стали классифицироваться по их массе, а не по свойствам. Но чтобы говорить об атомных массах, нужно было иметь базовую единицу, которая стала бы единой для всех лабораторий. Без нее научное общение и сравнение результатов оказались бы невозможными. Именно эта задача была решена в Карлсруэ: ученые высказались за систему измерений, в которой атомная масса углерода равнялась 12, а кислорода — 16.

Определение атомной массы — нелегкий процесс, поскольку атомы не видны и их также нельзя измерить по отдельности. Дальтон считал, что каждое химическое вещество состоит из особенного типа атомов, отличающегося от остальных веществ. Допустим, если назначить массу 1 атому водорода, то на основе измерения массы сложных веществ в составе с водородом можно вывести массу других веществ. Так, например, если вода состоит из водорода и кислорода и весит в восемь раз больше, чем масса чистого водорода, то логично предполагать, что атомная масса кислорода — 8.

Итальянский ученый Амедео Авогадро (1776-1856) предложил другой метод определения атомной массы, основанный на измерении объемов газов, которые вступают в реакцию. С другой стороны, Луи Жозеф Гей-Люссак (1778-1850) заметил, что в реакциях между газообразными веществами пропорции объемов, вступающих в реакцию, всегда простые — 1:1, 2:1 или 3:1. Например, в случае с водой два объема водорода приходятся на каждый объем кислорода. Авогадро предположил, что число молекул каждого объема газа всегда одно и то же, независимо от типа газа. Это единственная гипотеза, совместимая с наблюдениями Гей-Люссака. Однако если это так, то реакция для образования воды — уже не соединение одного атома водорода с одним атомом кислорода, а двух с одним. То есть масса кислорода приближается к 16, это в два раза больше, чем предлагал Дальтон.

Один объем кислорода вступает в реакцию с двумя объемами водорода, и получается два объема воды. Если гипотеза Авогадро об одинаковом числе молекул одинакового объема газов верна, то кое-что не сходится. Один объем кислорода дает два объема воды, то есть каждая молекула кислорода дает две молекулы воды. Это возможно, только если молекулы чистого кислорода состоят из двух атомов кислорода и каждый из них дает одну молекулу воды. Все это абсолютно очевидно сегодня, когда мы привыкли говорить о воде как об Н₂0, но в начале XIX века это было рискованное предположение.

Гипотезы Авогадро не были широко известны, пока Станислао Канниццаро (1826-1910) вновь не озвучил их на Съезде в Карлсруэ. И вот оказалось возможным составить новую систему атомных масс и одновременно ввести различие между элементом, молекулой и атомом. Это разделение оказалось ключевым в работе Дмитрия Менделеева (1834-1907). В 1867 году Менделеев получил должность профессора химии Санкт-Петербургского университета и читал общую химию студентам первого курса. Однако он столкнулся с отсутствием книг на русском языке, в которых были бы изложены новшества, введенные на Съезде в Карлсруэ, так что Менделеев решил написать собственный трактат. В середине XIX века сделать это было непросто. Было известно 63 химических элемента, и требовалось найти какой-нибудь способ классифицировать их. Менделеев не был удовлетворен обычной классификацией в соответствии с химическими свойствами и сделал ставку на классификацию химических элементов в зависимости от их атомной массы.

В двухтомнике «Основы химии*, написанном Менделеевым в 1868 и 1869 годах, довольно четко прослеживается развитие его мысли в тот период. Вначале классификация элементов в соответствии с массой была дидактическим инструментом. Но работая над вторым томом, Менделеев обратил внимание, что свойства элементов тесно связаны с позицией, которую они занимают в этой классификации. Упорядочивание по возрастанию масс также открывало определенную модель, в которой химические свойства повторялись. Если по горизонтали порядок выражал рост массы, то по вертикали приводились основные химические свойства.

Периодическая таблица в том виде, в каком Менделеев опубликовал ее в 1871 году. Химик включил известные на тот момент элементы и оставил свободные места, которые понадобились для открытых в дальнейшем веществ, поскольку каждая клетка соответствует элементу с определенными свойствами.

Сегодня периодическая таблица элементов есть во всех химических аудиториях, лабораториях, учебниках для средней школы... Это упорядочивание символов по рядам и столбцам дает, даже на первый взгляд, много информации о химических свойствах элементов. Только зная, в каком месте таблицы находится конкретное вещество, мы определяем, является ли оно металлом, благородным газом, щелочным веществом и так далее. Положение элемента в таблице также предоставляет данные о распределении электронов на периферии атомов.

Естественно, в середине XIX века такая классификация была невозможна, поскольку если и допускалось существование атомов, то абсолютно простых, не обладающих структурой. Периодическая таблица — пожалуй, самое полезное, лаконичное и содержательное дидактическое изобретение в истории науки.

Каково было отношение Менделеева к атому? Как и большинство химиков того времени, он принимал сам термин, но не верил в реальность атома как дискретной частицы материи. Говоря об атомах, химик подразумевал, что вещества вступают друг с другом в реакцию в определенных отношениях. Для Менделеева атом кислорода или водорода — минимальное количество этого вещества, причем необязательно его минимальная физическая структура. Есть некая ирония в том, что классификация Менделеева, так повлиявшая на принятие реальности атомов, была разработана в контексте скептического отношения к их существованию.

Реальность атомов была одной из самых обсуждаемых тем в XIX веке. Главный вопрос состоял в том, до какой степени атомная теория является научной. Проблема была довольно серьезной, потому что ни Дальтон, ни Менделеев собственно атом не открыли. Атомная теория имела несомненную ценность ввиду ее успеха в объяснениях и косвенных проверках, но она не была окончательно доказана. Таким образом, во второй половине XIX века в дискуссии вокруг реального существования атомов наступил один из кульминационных моментов. В центре полемики была философская позиция о природе и методе науки, известная как позитивизм.

Сам термин ввел французский философ Опост Конт (1798-1857), и главный тезис заключался в том, что научный метод и, следовательно, любое знание основываются только на эмпирических наблюдениях. То есть «если я этого не вижу, я в это не верю». Позитивизм стремился искоренить любые философские и теологические предположения, не связанные с наблюдаемыми фактами. Реальным считалось только то, что было очевидно, все остальное переводилось в область субъективизма, относительности и бессмыслицы. Наука же воспринималась как единственное ценное знание, гарант истины о мире и прогрессе человечества.

Позитивистский миф основательно утвердился, и даже сегодня кто-то полагает, что только научное знание серьезное, ценное и истинное, но господство данного философского подхода положило бы конец собственно научному прогрессу. Полемика вокруг атомов в XIX веке — хороший пример сложности научной деятельности и того, насколько недальновидно считать, что наука основана только на ощутимых наблюдениях. Ведь ни Дальтон, ни Менделеев не наблюдали атомы напрямую, они лишь догадались об их существовании по косвенным проявлениям, пропорциям химических веществ.

Другие свидетельства возможного существования атомов пришли из новой области физики, которая формировалась в течение XIX века,— из термодинамики. Интереснейшая научная и философская проблема заключается в связи между научными понятиями и обывательскими представлениями о явлениях. Так, хотя у всех нас есть представление о том, что такое тепло, нелегко дать ему ясное и точное определение. История научной мысли предлагает несколько ответов, но самой популярной в XVIII веке была теория теплорода. Согласно этой теории, тепло — это вид вещества (как флюид), которое передается от теплых тел холодным. «Обладать большим теплом* означало именно это: иметь больше вещества под названием теплород. Однако постепенно в отношении данной теории стали закрадываться сомнения. Известно замечание Бенджамина Томпсона (1753-1814) о том, что количество тепла, которое может быть передано трением, внешне неограниченно. Будучи военным инженером, он наблюдал за изготовлением пушек и заметил, что количество тепла, выделяющееся при пробуравливании металла, пропорционально трению, которому подвергается металл. Казалось, что тепло каким-то образом связано с движением.

Твердое тело (форма и объем неизменны)

Жидкость (форма сосуда и неизменный объем)

Газ (форма и объем сосуда)

Кинетическая теория газов приписывает такие свойства, как тепло или давление, движению каждого из атомов, образующих газ, и их со стенками сосуда, его содержащего.

В 1857 году немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822- 1888), работавший в университете Цюриха и уже несколько лет изучавший это явление, опубликовал статью «О роде движения, который мы называем теплотой». На основе механического представления о том, что газы состоят из крошечных атомов, Клаузиус разработал теорию, согласно которой температура и давление на стенки сосуда, содержащего газ, — это результат движения атомов. Точнее, температура — это всего лишь статистическое проявление кинетической энергии атомов, которые образуют газ. Эта теория известна как «кинетическая теория газов».

Предложение Клаузиуса нашло отклик среди молодых ученых. Особо следует выделить работу британца Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879), который сделал важное уточнение. Максвелл считал, что не только средняя скорость атомов влияет на температуру и давление газа, но также и его распределение скоростей, то есть число атомов, которые в определенный момент имеют скорость выше или ниже средней. Статьи Клаузиуса и Максвелла вызвали крупную дискуссию о справедливости кинетической теории газов и дали толчок научной карьере другой значительной фигуры в физике, австрийца Людвига Больцмана(1844-1906).

Чтобы обеспечить физическим смыслом формулу Максвелла, Больцман сосредоточился на изменении давления газа в зависимости от высоты. Если газ состоит из атомов с различными скоростями, они должны меняться соответственно с высотой из-за воздействия гравитации. Больцман рассчитал этот эффект, следуя распределению скоростей Максвелла, и выяснил, что он совпадает с изменением давления, наблюдаемого у газа. Так Больцману удалось связать атомный эффект (изменение гравитации для каждого из атомов, а с ним и изменение скоростей) с макроскопическим эффектом (изменением давления). Кроме того, Больцман сделал еще один шаг в кинетической теории, включив в нее не только линейные скорости атомов, но также и их вибрации, что следовало учитывать при объяснении макроскопических величин газов. Больцман опубликовал эту работу в возрасте 24 лет, и она обеспечила ему международное признание, в том числе со стороны самого Максвелла. С тех пор формула распределения скоростей газа известна как формула Максвелла — Больцмана.

Проблема, которую Больцман обозначил и развил, связана с формулой распределения скоростей атомов газа. Звучит она так: как возможно то, что отдельные (полностью произвольные и хаотичные) движения каждого из атомов газа поддерживают распределение скоростей, которое всегда соответствует формуле Максвелла — Больцмана? В гипотетическом идеальном мире проблема имеет решение. Надо всего лишь иметь уравнения движения каждого атома и их положений в определенный момент. Однако любой объем газа, каким бы маленьким он ни был, содержит миллионы миллионов атомов, так что задачу невозможно решить. Следовательно, описать газ на основе атомов, из которых он состоит, можно только с помощью статистической математики.

Вместо того чтобы пытаться понять, что произойдет с каждым из атомов, Больцман сосредоточился на поведении атомов с определенным направлением и скоростью в заданный момент времени. Нужно было оценить возможные столкновения атомов и с учетом этого вычислить среднее значение для всех групп атомов. Так австрийскому физику удалось обосновать уравнение распределения скоростей, о котором Максвелл интуитивно догадался и которое он сам изменил. Самым значимым результатом Больцмана была констатация того, что пока отдельные атомы следуют законам Ньютона о движении, постоянное изменение отдельных скоростей несовместимо с появлением состояний макроскопического равновесия. Значит, в газе в состоянии равновесия (при постоянных температуре и давлении) скрывается неистовая и внешне беспорядочная деятельность. Законы Ньютона о движениях отдельных тел, таким образом, объясняли давление и температуру газов — величин, которые относятся к большим скоплениям атомов. Это настоящая симфония в исполнении атомов под управлением законов Ньютона.

Как в химии, так и в статистической физике предполагалось, что атомы реальны, а если это не так, по крайней мере они представляют собой модель, обладающую высокой объяснительной силой. Однако в конце XIX века само существование атомов все еще не было неоспоримым фактом. И именно в таком контексте появилась первая субатомная частица; то есть в то время как некоторые ученые сомневались в реальности атомов, другие исследователи уже осмеливались говорить о гораздо меньших частицах — электронах. Так же как и атомы, электроны не были «открыты» с помощью более мощных микроскопов, они возникли на научной сцене в результате попыток лучше понять электричество, и только через некоторое время стало ясно, что они являются общими составляющими всех атомов.

Ученый, имя которого связывают с открытием электрона, — Джозеф Джон Томсон (1856-1940), преподаватель экспериментальной физики и директор Кавендишской лаборатории в Кембридже с 1884 по 1919 год. За те 35 лет его лаборатория прославилась на весь мир, физики со всех стран приезжали сюда, чтобы стать передовыми исследователями. Секрет успеха был не столько в установках и технических средствах, сколько в интеллектуальной свободе, которую Томсон предоставлял своим сотрудникам. В Кавендише проводились всевозможные физические эксперименты, если только они не требовали чрезвычайных вложений (Томсон был известен своей скупостью). Британский ученый предлагал своим исследователям значительные идеи, а те были вольны принять их или нет, также они сами могли решать, каким способом реализовать эти идеи. Методика Томсона как педагога заключалась в том, чтобы предоставлять свободу действия.

Кроме управления лабораторией ученый занимался исследованием электрических разрядов газов. Выбор данной темы — пример того, как первые шаги в науке влияют на последующую карьеру ученых. Еще в Манчестере Томсон заинтересовался составом материи и структурой эфира.

Что такое эфир? Или, точнее, чем был эфир? В Англии XIX века физики восстановили это старое представление: мир «заполнен», иначе как передавались бы силы, особенно электрические? Вопрос нетривиален, хотя существование эфира так же являлось неочевидным. Эфир должен был быть достаточно тугим, чтобы передавать электромагнитные силы, но в то же время достаточно гибким, чтобы не оказывать сопротивления движению твердых тел. В то же время он должен был быть очень легким, поскольку не удалось измерить его массу. Противоречиво ли это понятие? Сегодня физики полагают, что так, но еще в XIX веке казалось абсурдом рассуждать о силах между удаленными телами, не имеющими посредника. Эфир не только позволял объяснить электрические силы: считалось, что с учетом его особенных характеристик, возможно, он объяснит связь с миром духов, телепатию и так далее. Следует помнить, что во второй половине XIX века буржуазия Англии и США была увлечена оккультными силами. Благодаря трансатлантическому кабелю стала возможной телеграфная связь между двумя странами, и этот контекст способствовал расцвету спиритизма. Считалось, что наука может и должна объяснить все, включая телепатические и спиритические явления. Так, в 1882 году группа преподавателей и студентов Кембриджа и ряда университетов основала в Лондоне Общество психических исследований, существующее до сих пор. Среди физиков того времени, участников этой организации, были лорд Рэлей, бывший директор Кавендишской лаборатории, и Уильям Крукс, который наряду с Дж. Дж. Томсоном являлся крупным специалистом в изучении электрических разрядов газов. Сам Томсон заинтересовался этой темой и участвовал в научных сеансах спиритизма и телепатии, «научных» в том смысле, что зал, где проводились такие сеансы, был полон приборов, измеряющих электричество и магнетизм, которые должны были зафиксировать потоки энергии.

"Сеанс гипноза", полотно кисти Ричарда Борга, 1887 год (Национальный музей в Стокгольме).

В Кембридже он стал специалистом по новым теориям об электричестве и магнетизме, которые Максвелл развил в своем «Трактате» Максвелл объединил два явления, до тех пор считавшиеся различными, — электрические и магнитные силы. Он также предположил, что электрические разряды в газах могут быть хорошей отправной точкой для понимания сил электромагнитных и сил, обеспечивающих целостность атомов. Они могли способствовать постижению связи между атомами и эфиром и, следовательно, лучшему пониманию обеих материй. Максвелл не успел развить свою идею, в возрасте 48 лет он скоропостижно скончался. В течение последних пяти лет он возглавлял Кавендишскую лабораторию, и Томсон, его преемник, оказался морально обязанным завершить эту работу.

Разряды в газах обычно наблюдаются во флуоресцентных трубках: стеклянная колба заполняется определенным газом при низком давлении, разница электрических потенциалов в газе дает внезапное лучеиспускание, которое исчезает при отсутствии разницы потенциалов. Хотя сегодня мы привыкли к свечению флуоресцентных ламп, и оно даже раздражает нас своим мерцанием, более 100 лет назад это явление обладало ореолом таинственности. В зависимости от типа используемого газа (и при изменении давления газа, электрического потенциала или формы стеклянной трубки) цвет разряда может варьироваться. В темноте это свечение захватывало воображение и ученых и публики — не только из-за красоты, но и из-за спиритической притягательности.

Любой школьник знаком с законом Ньютона о всемирном тяготении и законом Кулона об электрической силе, и вот между ними была проведена аналогия. Точно так же, как существует концепция массы, от которой зависит сила тяготения, существует и другая концепция — электрические заряды, положительные или отрицательные, которые взаимно притягиваются или отталкиваются. Однако разговор об электрических зарядах требует абстрагирования, поскольку на самом деле существуют не сами заряды, а электрически заряженные тела. Это важно для понимания формулировки Томсона и других английских физиков XIX века.

Модель, с помощью которой Томсон визуализировал электрический разряд, подобна модели, используемой при электролизе. Ученый представлял себе, что с электрическим разрядом происходит диссоциация молекул газа и последующая их реассоциация. Как в популярных танцах с постоянной сменой партнеров, энергия, рассеянная в электрическом разряде, вызвана этим постоянным обменом атомов между молекулами. В 1883 году Томсон разработал теорию материи, согласно которой атомы — всего лишь вихри эфира, то есть зоны, где эфир движется, образуя спирали. Так, ассоциация и диссоциация атомов — это различные динамические сочетания этих вихрей, и электрические явления вызваны натяжениями, которые такие движения производят в эфире.

Это видение мира, в котором атомы и электрический заряд предстали как проявления одной базовой сущности — эфира, — позволяло рассматривать химию и электромагнетизм комплексно. Однако теория не имела успеха, и Томсону пришлось заменить ее другой, более простой, но менее универсальной, в которой электрический заряд — это свойство атомов молекул в их взаимоотношении с эфиром. Таким был первый шаг к «атомизации» электрического заряда, столь важный для последующих работ ученого.

Когда Томсон понял, как сложно установить теорию, которая объяснила бы взаимодействие между электричеством, материей и эфиром, он сосредоточился на изучении катодных лучей. Катодные лучи — это свет, который появляется, если задать разницу потенциалов в вакуумных трубках. Отсутствие материи позволяло предположить, что понять механизмы электрической проводимости эфира станет легче. Было известно, что катодные лучи отклоняются по магнитным полям, но с электрическими полями того же не наблюдалось. Отсюда противоречие между корпускулярными и волновыми объяснениями. Первые заключались в том, что катодные лучи — это результат прохождения электрически заряженных молекул между анодом и катодом (полюсами трубки). Такое объяснение противоречило предположению, что в электрических полях нет отклонения. Поэтому некоторые исследователи утверждали, что катодные лучи — это волна, передаваемая в эфире и не сопровождаемая материей.

Томсон заметил, что катодные лучи все-таки отклоняются из-за электрического поля, что делало более вероятной их идентификацию как электрически заряженных молекул. Британскому ученому, работавшему над моделью электролиза, показалось логичным, что катодные лучи — это результат испускания заряженных молекул анодом и катодом. Однако, к собственному удивлению, в 1897 году он установил: частное между зарядом и массой этих молекул таково, что масса должна быть в тысячу раз меньше массы самого маленького известного атома, атома водорода. Кроме того, новая молекула не зависела от типа материала, из которого сделаны катоды, в связи с чем Томсон пришел к выводу: маленькая молекула, ответственная за катодные лучи, является компонентом всех атомов. Эту частицу он назвал «корпускулой».

Сегодня корпускулы мы называем электронами и рассматриваем их как одни из элементарных частиц материи. Однако в конце XIX века предположение, что атомы состоят из равных между собой корпускул, плохо восприняли как химики, так и физики. Томсона упрекнули в приверженности алхимии и в том, что он воскрешает старую мечту о трансмутации элементов. Атомы Дальтона различались между собой, они были неизменны и неделимы, что гарантировало некую стабильность Вселенной. Если атомы состоят из субатомных частиц, то единственное различие между атомами — это число и организация таких частиц, что приближает к возможности замены одних атомов другими, например к превращению ртути в золото, как того хотели средневековые алхимики. Как раз поэтому физики и химики не сразу приняли корпускулу.

Несмотря на изначальное нежелание принять электроны как субатомные частицы и компоненты всех атомов, сомнений в том, что они обладают огромным потенциалом для объяснения многих электрических явлений, не возникало. В итоге электроны получили определенный авторитет среди физиков не как компоненты атома, а только как средство объяснения электрической проводимости. Поэтому нет ничего удивительного в том, что молодой и амбициозный ученый Нильс Бор посвятил докторскую диссертацию одной из модных тогда тем — роли электронов в электрической проводимости металлических материалов.

Написание диссертации не было обычным делом для студентов университетов в начале XX века. В среднем докторскую степень по естественным и математическим наукам получали всего три-четыре студента в год.

Братья Бор были среди этих избранных, и, что любопытно, Харальд стал доктором на несколько месяцев раньше, чем его старший брат Нильс. Данное событие было отражено в датских газетах: писали, что звезда футбола стала звездой математики.

Как Джозеф Джон Томсон нашел электроны? Конечно же, не с помощью очень мощного микроскопа и не потому, что тогда не существовало такого инструмента — такая визуализация невозможна в принципе. На самом деле современная наука представляет электроны не как маленькие бильярдные шарики с определенными пределами, а как уплотнения, зависящие от волны. Так что слово «частица» в обозначении элементарных частиц ошибочно. Томсон работал с трубками, наполненными газами, которые он подвергал электрическим разрядам, и в 1896 году решил сосредоточиться на типе разряда, который производится в вакууме, — на катодных лучах. Принцип этого явления тот же, что и в старых телевизорах: в стеклянной вакуумной трубке между двумя ее полюсами производится электрический разряд. Томсон заметил, что эти лучи отклоняются как электрическими, так и магнитными полями. Объяснение было только одно: лучи состоят из «корпускул», то есть из маленьких частиц с массой и электрическим зарядом (альтернативное объяснение, что катодные лучи представляют собой волны, несовместимо с этими отклонениями). Расчеты, произведенные Томсоном, предполагали, что носители катодных лучей — отрицательно заряженные частицы, масса которых намного меньше самого маленького атома, известного на тот момент — атома водорода. На рисунке представлена стеклянная трубка, используемая Томсоном: катодные лучи испускаются из точки С, проходят через точки А и В и отклоняются из-за электрического поля между пластинами D и Е. Шкала в конце трубки, на которую попадают катодные лучи, служит для измерения отклонения в зависимости от интенсивности электрического поля. Нечто подобное возможно и с магнитным полем.

Совершенно очевидно, что когда речь идет об атомах, следует использовать тот же язык, что и в поэзии. Поэт заботится не столько об описании фактов, сколько о создании образов и установлении мысленных связей.

Нильс Бор, 1920 год

Это отставание отчасти было связано с методом работы Бора. Для него ничто никогда не было абсолютно законченным. Он всегда находил способ улучшить результат, заменить какой-то термин или выражение, чтобы смысл его слов и уравнений был максимально точным. Свою диссертацию он переписал 14 раз. Даже после защиты в мае 1911 года в переплет собственного экземпляра диссертации он пожелал поместить чистые страницы после каждой напечатанной. Естественно, не для того чтобы визуально увеличить свой труд, а чтобы оставить пространство для дальнейших изменений в этой работе, уже утвержденной комиссией. Бор всю жизнь был перфекционистом, к ужасу издателей и соавторов, он нередко вносил правки в свои научные статьи, отданные в печать.

Тот же подход он применял и в отношении статей других исследователей. Временами он поступал как ребенок, с удовольствием отмечающий оплошность в речи взрослых. Так, работая над диссертацией, он обнаружил некоторые ошибки в статьях Томсона, Планка и других великих ученых эпохи.

В своей докторской диссертации он попытался найти ответы для некоторых выводов из самой распространенной на тот момент теории проводимости электричества в металлах — теории Пауля Друде (1863-1906). Центральная идея состояла в рассмотрении твердых металлических тел в качестве совокупности статичных положительных ионов, где все эффекты проводимости были вызваны электронами, которые вели себя как облако, окружающее положительную структуру. Следует подчеркнуть, что эта модель не включала в себя никакого представления о строении атомов, а лишь предполагала, что электрическая проводимость обязана более или менее свободному движению электронного облака в металле. Исследование привело Бора к недавним работам Томсона, Эйнштейна и Планка, и так он познакомился с проблемами классической физики и с решениями, которые предлагала зарождающаяся квантовая гипотеза.

Профессор Кристиансен с кафедры физики Копенгагенского университета был единственным, кто сумел оценить всю сложность диссертации Нильса Бора, поскольку та была написана на датском языке, что ограничивало ее распространение и оценку международным научным сообществом. Кристиансен посчитал, что работа Бора ставит его на путь, начатый Эрстедом и Лоренцем, а это прочило Дании место на современной научной карте. Совет, данный им молодому Нильсу, заключался в том, что настало время дополнить свое образование в одном из престижных центров физики в Европе.

Последние перед отъездом годы в Копенгагене были омрачены смертью отца Бора, в результате инфаркта в феврале 1911 года, и отмечены встречей с Маргрет Норлунд (1890- 1984), сестрой одного из членов дискуссионного кружка «Эклиптика». Она стала невестой, а позже супругой Нильса и сразу же приняла на себя пожизненные обязанности его секретаря.