скачать книгу бесплатно
Осенью 1910 года он снова вернулся в пасторский дом в Виссенбьерге. Работа шла медленно. Возможно, он вспомнил, как трудно давалась диссертация лиценциату, потому что он снова обратился к Кьеркегору. «Он произвел на меня сильное впечатление, когда я писал свою диссертацию на Фюне, и я читал его работы сутками напролет, – рассказывал Бор в 1933 году своему другу и бывшему ученику Й. Руд Нильсену. – Особенно восхищала его честность, его готовность последовательно решать задачи до самого конца. Кроме того, у него великолепный, часто очень изящный язык. Разумеется, у Кьеркегора есть много такого, с чем я не могу согласиться. Я отношу это на счет того времени, в котором он жил. Но меня восхищают его энергичность и упорство, та последовательность, с которой он доводит свой анализ до самого конца, и то, что благодаря этим качествам он превратил несчастья и страдание в нечто хорошее»[291 - Цит. по: Nielsen (1963), p. 27, 28.].
К концу января 1911 года он закончил свою диссертацию «Исследования в области электронной теории металлов». 3 февраля скоропостижно умер его отец, которому было пятьдесят шесть лет. Бор посвятил свою диссертацию «памяти моего отца, с глубочайшей благодарностью»[292 - Bohr (1972), p. 295.]. Он очень любил отца; если раньше на нем лежало бремя ожиданий, то теперь он был свободен от этого бремени.
Как было принято, защита диссертации, состоявшаяся в Копенгагене 13 мая, была открытой для публики. «Д-р Бор, бледный и скромный молодой человек, – писала копенгагенская газета Dagbladet в заметке, над которой был помещен небрежный рисунок соискателя, стоящего во фрачном костюме за массивной кафедрой, – не принимал большого участия в обсуждении, которое заняло рекордно короткое время»[293 - Цит. по: Ibid., p. 98, 99.]. Маленький зал был переполнен. Кристиансен, бывший одним из двух членов комиссии, сказал просто, что в Дании вряд ли найдется человек, обладающий достаточными знаниями по теме диссертации, чтобы оценить работу соискателя.
Перед смертью Кристиан Бор помог сыну получить стипендию Фонда Карлсберга, позволявшую ему продолжить обучение за границей. Лето Нильс провел в парусных и пеших прогулках с Маргрете Норланд, сестрой своего друга, красивой молодой студенткой, с которой он познакомился в 1910 году; незадолго до его отъезда они обручились. В конце сентября он уехал в Кембридж. Он должен был учиться в Кавендишской лаборатории под руководством Дж. Дж. Томсона.
29 сентября 1911 г.
Элтисли-авеню 10,
Ньюхэм, Кембридж
О Харальд!
У меня все прекрасно. Я только что разговаривал с Дж. Дж. Томсоном и рассказал ему, насколько смог, о своих идеях относительно радиации, магнетизма и т. д. Если бы ты только знал, что? значил для меня разговор с таким человеком. Он был со мной чрезвычайно любезен, и мы обсудили очень многое; мне кажется, что он нашел в том, что я говорил, нечто разумное. Теперь он собирается прочитать [мою диссертацию] и пригласил меня на воскресный ужин в Тринити-колледж; потом он поговорит со мной о ней. Можешь себе представить, как я счастлив… У меня теперь есть собственная маленькая квартира. Она расположена на краю города и прекрасна во всех отношениях. У меня две комнаты, и я ем в полном одиночестве у себя дома. Здесь очень мило; сейчас я пишу тебе перед своим собственным маленьким камином, в котором пылает, потрескивая, огонь[294 - Ibid., p. 519.].
Нильс Бор был в восторге от Кембриджа. Благодаря англофилии отца ему легко было полюбить английскую жизнь; в университете же поддерживались традиции Ньютона и Максвелла и была великая Кавендишская лаборатория, славная столь многими физическими открытиями. Бор обнаружил, что его школьный английский далек от совершенства, и взялся за чтение «Дэвида Копперфильда», вооружившись внушительным новым словарем, в котором он смотрел все слова, в которых не был уверен. Он обнаружил, что в лаборатории было слишком много народу и слишком мало средств. С другой стороны, ему было забавно ходить в мантии и академической шапочке (после того, как его официально приняли в докторантуру Тринити-колледжа)«под страхом огромного штрафа», наблюдать профессорский стол колледжа, «за которым едят столько и таких первоклассных блюд, что совершенно невероятно и непонятно, как они с этим справляются»[295 - Ibid., p. 523.], гулять «по часу перед ужином по прекраснейшим лугам вдоль реки, с изгородями, усеянными красными ягодами, и одинокими ивами, клонящимися на ветру, – вообрази себе все это под великолепнейшим осенним небом со стремительно несущимися облаками и неистовым ветром»[296 - Цит. по: Rozental (1967), p. 44.]. Он записался в футбольную команду; встречался с физиологами, учившимися у его отца; посещал лекции по физике; работал над экспериментами, которые поручал ему Томсон; общался на банкетах с английскими дамами, «абсолютно гениально умеющими вызывать на откровенность»[297 - Цит. по: Ibid., p. 40.].
Однако Томсон так и не собрался прочитать его диссертацию. Собственно говоря, их первая встреча была вовсе не столь успешной. Новый датский ученик не просто рассказал Томсону о своих идеях; он еще и указал ему на ошибки, которые он обнаружил в работах самого Томсона по теории электрона. «Интересно, – писал Бор Маргрете вскоре после этого, – что скажет профессор по поводу моих замечаний к его статье»[298 - Цит. по: Moore (1966), p. 32.]. Немного спустя он писал: «Не могу дождаться момента, когда Томсон наконец выскажется. Он – великий человек. Надеюсь, мои глупые вопросы не рассердили его»[299 - Цит. по: Мур Р. Указ. соч. С. 60, 61.][300 - Цит. по: Ibid., p. 33.].
Мы не знаем, рассердился Томсон или нет. В это время электроны уже не очень его интересовали. Он переключил свое внимание на положительно заряженные анодные лучи – эксперимент, в котором он предложил участвовать Бору, касался именно их, и Бор считал его совершенно бесперспективным, – и в любом случае не любил теоретических обсуждений. «Чтобы по-настоящему узнать англичанина, требуется полгода, – сказал Бор в своем последнем интервью. – В Англии принято быть вежливым и так далее, но на самом деле они никем не интересуются… По воскресеньям я ходил на ужины в Тринити-колледж… Я сидел там, и в течение многих воскресений со мной никто ни разу не заговорил. Но потом они увидели, что я так же не стремлюсь разговаривать с ними, как и они со мной. И тогда мы подружились, понимаете, и все изменилось»[301 - Bohr OHI, AlP, p. 13, 14.]. Тут речь идет об общем представлении; возможно, безразличие Томсона было его первым частным проявлением.
А потом в Кембридже появился Резерфорд.
Он «приехал из Манчестера, чтобы выступить на ежегодном Кавендишском обеде, – вспоминает Бор. – Хотя в этот раз мне не удалось познакомиться с Резерфордом, на меня произвели глубокое впечатление его обаяние и энергия – качества, с помощью которых ему удавалось достигать почти невероятных вещей, где бы он ни работал. Обед происходил в чрезвычайно непринужденной атмосфере, что дало удобный случай коллегам Резерфорда напомнить некоторые из многочисленных анекдотов, уже тогда связанных с его именем»[302 - Бор Н. Воспоминания об основоположнике науки о ядре и дальнейшее развитие его работ // Избранные научные труды: В 2 т. Статьи 1925–1961. М.: Наука, 1971. Т. 2. С. 545.][303 - Bohr (1963), p. 31. Моя хронология поездки Бора в Манчестер и организации его работы там в целом следует правдоподобным догадкам, изложенным в Heilbron and Kuhn (1969), p. 233, прим. 57.]. Резерфорд тепло говорил о недавней работе физика Ч. Т. Р. Вильсона, изобретателя туманной камеры (в которой можно наблюдать траектории заряженных частиц, проявляющиеся в виде линий водяных капель в перенасыщенном паре), с которым он дружил во время учебы в Кембридже. Как говорит Бор, Вильсон «только что» сфотографировал в своей камере альфа-частицы, рассеивающиеся в результате взаимодействия с ядрами, – то самое явление, которое всего за несколько месяцев до этого «привело [Резерфорда] к открытию, с которого началась новая эпоха, – открытию атомного ядра»[304 - Бор Н. Воспоминания об основоположнике науки о ядре и дальнейшее развитие его работ // Избранные научные труды: В 2 т. Статьи 1925–1961. М.: Наука, 1971. Т. 2. С. 546.][305 - Bohr (1963), p. 31.].
Бора уже занимали вопросы, которые он вскоре после этого связал с задачей о ядре и теоретически неустойчивых электронах[306 - Ср. его письмо к К. В. Озеену от 1 декабря 1911 г.: «Я сейчас испытываю большой энтузиазм по поводу квантовой теории (я имею в виду ее экспериментальный аспект), но все еще не уверен, не вызвано ли это моим невежеством». Цит. по: Heilbron and Kuhn (1969), p. 230, вместе с последующим обсуждением.], но самое большое впечатление на этом ежегодном обеде произвело на него то, насколько Резерфорд был готов отбросить церемонность. Вспоминая этот период своей жизни много лет спустя, он особенно выделял среди достоинств Резерфорда следующее: «…у него все же хватало терпения выслушивать каждого из этих молодых людей, если он ощущал у них наличие каких-то идей, какими бы скромными с его собственной точки зрения они ни казались»[307 - Там же. С. 547.][308 - Bohr (1963), p. 32.]. В отличие, надо думать, от Дж. Дж. Томсона, каковы бы ни были другие достоинства последнего.
Вскоре после этого обеда Бор приехал в Манчестер, чтобы встретиться там с «одним из коллег моего недавно умершего отца, бывшим также близким другом Резерфорда»[309 - Ibid., p. 31.]. Это близкий друг свел их. Резерфорд посмотрел на молодого датчанина, и он ему понравился, несмотря на его обычную нелюбовь к теоретикам. Впоследствии кто-то спросил его об этом противоречии. «Бор не такой, – прогремел Резерфорд, пытаясь замаскировать шуткой свою привязанность. – Он же футболист!»[310 - Цит. по: Rozental (1967), p. 46.] Бор отличался от прочих и в другом отношении; он был гораздо талантливее всех остальных многочисленных учеников Резерфорда – а Резерфорд воспитал за свою жизнь целых одиннадцать нобелевских лауреатов[311 - Ср. Zuckerman (1977), p. 103.], и этот его рекорд не побил никто.
Бор отложил решение о выборе между Кембриджем и Манчестером до обсуждения всей этой ситуации с Харальдом, который специально для этого приехал к нему в Кембридж в январе 1912 года. Затем Бор отправил Резерфорду пылкую просьбу предоставить ему возможность учиться в Манчестере, о которой они говорили в декабре. Резерфорд посоветовал ему не бросать Кембридж слишком быстро – Манчестер, сказал он, никуда от него не денется[312 - Цитирует А. С. Рассел в Birks (1962), p. 93 и далее.], – и Бор предложил приехать к началу весеннего семестра, который начинался в конце марта. Резерфорд согласился с радостью. Бору казалось, что в Кембридже его способности тратятся впустую. Он хотел заняться чем-то существенным.
Первые шесть недель в Манчестере он провел, изучая «вводный курс в экспериментальные исследования радиоактивности»[313 - Bohr (1963), p. 32.]; среди его наставников были Гейгер и Марсден. Продолжал он и свои собственные исследования теории электрона. В это время началась его сохранившаяся на всю жизнь дружба с молодым венгерским аристократом Дьёрдем де Хевеши, радиохимиком, человеком с вытянутым, чувственным лицом, самой заметной чертой которого был огромный нос. Отец де Хевеши был придворным советником, мать – баронессой; в детстве он охотился на куропаток в собственном охотничьем заказнике императора Австро-Венгрии Франца-Иосифа, граничащем с имением его деда. Теперь же он работал над решением задачи, которую поставил ему однажды Резерфорд: ему нужно было отделить продукты радиоактивного распада от веществ, породивших их. На основе этой работы в течение нескольких последующих десятилетий он развил науку применения радиоактивных индикаторов в медицинских и биологических исследованиях, ставшую очередным примером ценных всходов, которые дали небрежные, но плодовитые посевы Резерфорда.
От де Хевеши Бор и узнал о радиохимии[314 - См. там же, p. 32, 33.]. Он начал находить в ней связи со своей работой по электронной теории. Посетившее его затем интуитивное озарение было поразительным. В течение нескольких недель он понял, что, хотя радиоактивные свойства порождаются атомным ядром, свойства химические зависят в первую очередь от числа и распределения электронов. Он понял – и эта безумная идея оказалась справедливой, – что, поскольку электроны определяют химические свойства, а суммарный положительный заряд ядра определяет число электронов, то положение элемента в периодической системе в точности совпадает с величиной заряда ядра (или «атомным номером»): водород стоит на первом месте и имеет заряд ядра, равный 1, за ним следует гелий с зарядом ядра, равным 2, и так далее, вплоть до самого урана с номером 92.
Де Хевеши обратил его внимание на то, что число известных радиоактивных элементов уже значительно превосходило число незаполненных клеток периодической таблицы, и Бор интуитивно пришел еще к одному заключению. Содди уже отмечал, что радиоактивные элементы в большинстве своем представляют собой не новые элементы, а лишь физически отличные формы элементов природных (вскоре после этого он дал им их современное имя, назвав их изотопами). Бор понял, что такие радиоэлементы должны иметь тот же атомный номер, что и природные элементы с теми же химическими свойствами. Это позволило ему вывести черновую версию так называемого закона радиоактивных смещений: при превращении элемента в результате радиоактивного распада он смещается по периодической таблице на два положения влево, если испускает альфа-частицу (ядро гелия, атома с номером 2), и на одно положение вправо, если испускает бета-излучение (высокоэнергетический электрон, потеря которого приводит к увеличению положительного заряда ядра).
Периодическая система химических элементов. Семейство лантаноидов, начинающееся с лантана (57), и семейство актиноидов, начинающееся с актиния (89) и включающее в себя торий (90) и уран (92), обладают сходными химическими свойствами
Прочная привязка этих начальных, приблизительных озарений к теории эксперименту потребовала бы многих лет работы других ученых. Бор представил их Резерфорду. К его удивлению, первооткрыватель атомного ядра отнесся к его собственным открытиям настороженно. «Резерфорд… считал, что [накопленная до тех пор] скудная информация об атомных ядрах не настолько точна, чтобы можно было делать подобные выводы, – вспоминал Бор. – А я сказал ему, что уверен, что это станет окончательным доказательством справедливости его модели атома»[315 - Bohr OHI, AlP, p. 13.]. Если он и не убедил Резерфорда, то по меньшей мере произвел на него сильное впечатление. Однажды, когда де Хевеши задал Резерфорду какой-то вопрос о радиоактивности, тот радостно ответил: «Спросите Бора!»[316 - Цит. по: Rozental (1967), p. 46.] Таким образом, когда Бор снова пришел к нему в середине июня, Резерфорд был готов к неожиданностям. Бор описал, что было у него на уме, в письме, которое он послал Харальду 19 июня, после этого разговора:
Мне кажется, что я, возможно, открыл кое-что относительно строения атомов. Об этом ни в коем случае нельзя никому рассказывать, иначе я точно не смог бы так быстро написать тебе про это. Если я прав, эта идея должна оказаться не указанием на одну из возможностей… а, может быть, маленьким элементом реальности… Как ты понимаешь, еще может выясниться, что я не прав, потому что идея еще не до конца разработана (хотя я так не думаю); кроме того, Резерфорд, по-моему, тоже не считает ее совершенно безумной. Он такой человек, который никогда не скажет, что он полностью убежден в чем-то, что еще не вполне проработано. Можешь себе представить, как мне хочется поскорее завершить эту работу[317 - Heilbron and Kuhn (1969), p. 238; Bohr (1972), p. 559. Из каждого перевода выбраны наиболее выразительные пассажи.].
Тогда Бор увидел первый проблеск идеи о том, как можно стабилизировать электроны, вращающиеся вокруг Резерфордова ядра в таком неустойчивом состоянии. Резерфорд отослал его прорабатывать эту идею более подробно. Время поджимало: на 1 августа в Копенгагене была назначена свадьба Бора с Маргрете Норланд. 17 июля он написал Харальду, что «дело движется довольно хорошо; по-моему, я кое-что обнаружил; но доведение этих находок до ума, несомненно, займет гораздо больше времени, чем мне по наивности казалось вначале. Я надеюсь подготовить перед отъездом небольшую статью, которую можно будет показать Резерфорду, так что я очень-очень занят; невероятная жара, которая стоит в Манчестере, не очень-то располагает меня к усердию. Как мне не терпится поговорить с тобой!»[318 - Bohr (1972), p. 561.] В следующую среду, 22 июля, он встретился с Резерфордом, который снова подбодрил его, и планировал встретиться с Харальдом по дороге домой[319 - Письмо Бора к Харальду Бору, там же.].
Бор женился, и его безмятежный брак с этой сильной, умной и красивой женщиной продлился всю жизнь. В течение осеннего семестра он преподавал в Копенгагенском университете. Новая модель атома, над разработкой которой он бился, давалась по-прежнему трудно. 4 ноября он написал Резерфорду, что надеется, что «сможет закончить статью в течение нескольких недель»[320 - Цит. по: Heilbron and Kuhn (1969), p. 256.]. Несколько недель прошло; поскольку статья так и не была закончена, он договорился об освобождении от преподавательской работы в университете и уехал вместе с Маргрете за город. Старая система снова сработала: он написал «очень длинную статью обо всем этом»[321 - Цит. по: Ibid.]. Затем ему в голову пришла новая важная идея, и он разбил свою длинную статью на три заново переписанные части. Первая часть статьи под гордым и отважным названием «О строении атомов и молекул» была отправлена Резерфорду 6 марта 1913 года, вторая и третья части были закончены и опубликованы до конца того же года, – и эта работа изменила направление развития физики XX века. Именно за нее Бор получил Нобелевскую премию по физике за 1922 год.
Еще когда Бор работал над своей диссертацией, он решил, что некоторые из явлений, которые он исследовал, нельзя объяснить механическими законами ньютоновской физики. «Следует предположить, что в природе существуют силы, совершенно отличные от обычных механических»[322 - Цит. по: Ibid., p. 214. Мое изложение в целом следует здесь этой превосходной монографии.], – писал он в то время. Он знал, где именно следует искать эти необычные силы: он обратился к работам Макса Планка и Альберта Эйнштейна.
Планк был тем немецким теоретиком, с которым Лео Сцилард впоследствии познакомится в Берлине в 1921 году; он родился в 1858 году и преподавал в Берлине с 1889-го. В 1900 году он предложил революционную идею, которая объясняла одну неразрешимую до того момента проблему классической физики, так называемую ультрафиолетовую катастрофу. В соответствии с классической теорией внутри нагретой полости (например, доменной печи) должно содержаться бесконечное количество света (энергии, излучения). Это связано с тем, что классическая теория, рассматривающая только непрерывные процессы, предсказывает, что частицы, заключенные внутри нагретых стенок полости, вибрирующих с выделением света, должны вибрировать в бесконечном спектре частот.
Очевидно, это предсказание не соответствовало истине. Но что же мешает энергии, содержащейся внутри полости, неограниченно увеличиваться в направлении глубокой ультрафиолетовой части спектра? Планк начал работать над этой задачей в 1897 году и интенсивно трудился над нею в течение трех лет. Успех пришел к нему в виде возникшего в последнюю минуту озарения, о котором он сообщил 19 октября 1900 года на заседании Берлинского физического общества. Тем же вечером друзья Планка сравнили его новую формулу с экспериментально полученными данными. На следующее утро они сообщили ему об их точном соответствии. «Более поздние измерения все снова и снова подтверждали формулу для излучения, и притом тем точнее, чем к более тонким методам измерений переходили, – гордо писал Планк в 1947 году, в конце своей долгой жизни»[323 - Планк М. Научная автобиография // Избранные труды. М.: Наука, 1975. С. 659.][324 - Planck (1949), p. 41.].
Планк разрешил проблему излучения, предположив, что колеблющиеся частицы могут излучать лишь на некоторых определенных энергиях. Разрешенные энергии определяются новым числом – «…необходимо было ввести некоторую новую универсальную постоянную, которую я обозначил через h, и так как она имела размерность произведения (энергия ? время), то я назвал ее элементарным квантом действия»[325 - Там же. С. 660.][326 - Ibid., p. 43.]. Слово «квант» происходит от формы среднего рода (quantum) латинского слова quantus, означающего «сколько». Могут возникать только такие ограниченные и конечные энергии, которые равны целочисленному кратному h?: частоты ?, умноженной на постоянную Планка h раз. По расчетам Планка, величина h оказалась очень малой и близкой к современному значению, равному 6,63 · 10
эрг · с. Универсальная константа h вскоре получила свое современное название: ее стали называть постоянной Планка.
Планку, который был консерватором до мозга костей, не хотелось исследовать радикальные следствия из найденной им формулы излучения. Это сделал другой человек – Альберт Эйнштейн. В опубликованной в 1905 году статье, которая впоследствии принесла ему Нобелевскую премию, Эйнштейн применил идею Планка строго определенных дискретных порций энергии к проблеме фотоэлектрического эффекта. Свет, падающий на некоторые металлы, выбивает из них электроны; подобный эффект используется в современных солнечных батареях, питающих космические аппараты. Но энергия электронов, выбитых из металла, не зависит от яркости света, как казалось бы логичным предположить. Вместо этого она зависит от его цвета – то есть от его частоты.
Эйнштейн разглядел в этом странном факте квантовые проявления. Он предложил еретическую гипотезу о том, что свет, распространяющийся, как показывали в течение многих лет точные научные опыты, в виде волн, на самом деле распространяется в виде маленьких отдельных пакетов – частиц, – которые он назвал «квантами энергии». Такие фотоны (как мы их теперь называем), писал он, имеют дискретную энергию h? и при соударении с поверхностью металла передают бо?льшую часть этой энергии электронам. Таким образом, более яркий свет высвобождает большее число электронов, но не электроны более высокой энергии; энергия испускаемых электронов зависит от h?, то есть от частоты света. Таким образом, Эйнштейн развил квантовую идею Планка, превратив ее из простого, хотя и удобного, вычислительного приема в выражение возможного физического закона[327 - Хотя Планк и предполагал для своей формулы более ограниченное применение, все же он считал, что испускание света атомом происходит только порциями размера h?, то есть придавал ей явный физический смысл. – Прим. науч. ред.].
Такое развитие знания позволило Бору взяться за проблему механической неустойчивости модели атома Резерфорда. В июле, в период подготовки «небольшой статьи, которую можно будет показать Резерфорду», у него уже появилась основная идея. Она заключалась в следующем: поскольку классическая механика предсказывает, что атом, по Резерфорду, с маленьким, массивным центральным ядром, окруженным электронами, должен быть неустойчивым, а на самом деле атомы представляют собой одни из самых устойчивых систем в мире, значит, классическая механика не способна описывать такие системы и должна уступить место квантовому подходу. Планк предложил квантовые принципы, чтобы спасти законы термодинамики; Эйнштейн распространил квантовые идеи на свет; Бор предлагал теперь ввести квантовые принципы в самый атом.
В течение всей осени и начала зимы, вернувшись в Данию, Бор разбирался со следствиями из этой идеи. Трудность с атомом Резерфорда заключалась в том, что ничто в его строении не обеспечивало его устойчивости. Если речь шла об атоме с несколькими электронами, он должен был разваливаться на части. Даже в случае атома водорода всего с одним (механически устойчивым) электроном классическая теория предсказывала, что такой электрон должен испускать свет при изменении направления орбитального движения вокруг ядра и, теряя таким образом энергию, смещаться по спиральной траектории к ядру и в конце концов упасть на него. С точки зрения ньютоновской механики атом Резерфорда – миниатюрная солнечная система – должен был быть либо невозможно большим, либо невозможно маленьким.
Поэтому Бор предположил, что в атоме должно существовать то, что он назвал «стационарными состояниями»: орбиты, на которых электроны могут находиться без нарушений устойчивости, без испускания света и без падения на ядро по спиральной траектории. Он произвел расчеты по этой модели и обнаружил, что их результаты отлично согласуются с самыми разными экспериментальными значениями. Теперь у него была по меньшей мере правдоподобная модель, которая, в частности, объясняла некоторые химические явления. Но она явно была произвольной; не было никаких доказательств того, что она более точно отражает реальное строение атома, чем другие полезные модели – например «пудинг с изюмом» Дж. Дж. Томсона.
Помощь пришла с неожиданной стороны. Дж. У. Николсон, профессор математики в Королевском колледже Лондона, которого Бор считал глупцом, опубликовал несколько статей, в которых для объяснения необычного спектра солнечной короны предлагалась квантованная сатурнианская модель атома. Статьи эти были опубликованы в астрономическом журнале в июне; Бор увидел их только в декабре. Он быстро нашел недостатки модели Николсона, но в то же время почувствовал, что другие исследователи идут за ним по пятам, – а также отметил, что Николсон углубился в дебри спектральных линий.
Ориентируясь на химию, обмениваясь идеями с Дьёрдем де Хевеши, Бор не думал о том, что доказательства в поддержку его модели атома можно искать и в спектроскопии. «Спектры были очень сложной задачей, – сказал он в своем последнем интервью. – …Они казались великолепными, но в них не было видно возможностей для развития. Точно так же, если взять крыло бабочки, на нем, конечно, можно увидеть замечательно регулярные узоры, цвета и так далее, но никому не придет в голову, что по окраске крыла бабочки можно понять основы биологии»[328 - Цит. по: Heilbron and Kuhn (1969), p. 257, прим. 117.].
Воспользовавшись подсказкой Николсона, Бор обратил теперь свое внимание на крылья спектральной бабочки.
В 1912 году спектроскопия была хорошо развитой областью. Первым эффективно исследовал ее шотландский физик XVIII века Томас Мелвилл. Он смешивал химические соли со спиртом, поджигал эти смеси и рассматривал полученный свет через призму. Разные химические элементы давали пятна разных цветов. Отсюда возникла идея использования спектров для химического анализа, для идентификации неизвестных веществ. Призматический спектроскоп, изобретенный в 1859 году, был важным научным достижением. В нем использовалась узкая щель, установленная перед призмой, чтобы превратить световые пятна в узкие полоски сравнимой ширины; эти полоски можно было отобразить на линейке с делениями (а впоследствии – на ленте фотопленки), чтобы измерить расстояния между ними и вычислить длины волн света. Такие характеристические наборы линий стали называть линейчатыми спектрами. У каждого элемента имеется свой уникальный линейчатый спектр. Гелий был открыт в виде серии необычных линий в хромосфере Солнца в 1868 году, за двадцать три года до того, как его обнаружили в составе урановой руды на Земле. Линейчатые спектры оказались предметом полезным.
Однако никто не понимал, что? порождает эти линии. В лучшем случае математикам и спектроскопистам, любившим заниматься численным выражением длин волн, удавалось найти в наборах спектральных линий красивые и гармоничные закономерности. В 1885 году швейцарский математик и физик XIX века Иоганн Бальмер нашел одну из самых основных формул – формулу для вычисления длин волн спектральных линий водорода. Эти линии, образующие так называемую серию Бальмера, выглядят следующим образом:
Серия Бальмера
Не обязательно разбираться в математике, чтобы оценить простоту выведенной Бальмером формулы, которая предсказывает положение любой линии в спектре с точностью до одной тысячной. В этой формуле содержится всего одно произвольное число:
где греческая буква ? (лямбда) обозначает длину волны линии, а n принимает для разных линий значения 3, 4, 5 и так далее. При помощи этой формулы Бальмер смог предсказать ожидаемые длины волн линий еще не изученных участков спектра водорода. Впоследствии такие линии были найдены именно там, где они должны были быть по его расчетам.
Шведский спектроскопист Йоханнес Ридберг превзошел достижение Бальмера, опубликовав в 1890 году общую формулу, справедливую для огромного числа разных линейчатых спектров. Формула Бальмера стала частным случаем более общей формулы Ридберга, в основе которой лежало число, названное постоянной Ридберга. Это число, впоследствии измеренное различными способами и ставшее одной из наиболее точно известных фундаментальных постоянных, по современным измерениям равно 10973731,568508 м
[329 - Значение постоянной Ридберга, рекомендованное в 2014 г. международным комитетом по данным для науки и техники (CODATA).].
Эти формулы и числа могли быть известны Бору из университетского курса физики, особенно с учетом того, что Кристиансен был поклонником Ридберга и досконально изучил его работы. Но спектроскопия была далека от области интересов Бора, и можно предположить, что он о них просто забыл. Он нашел своего старого друга и одноклассника Ханса Хансена, физика и спектроскописта, который только что вернулся из Гёттингена. Вместе с Хансеном они просмотрели материалы по регулярности линейных спектров. Бор нашел соответствующие числа. «Как только я увидел формулу Бальмера, – говорил он впоследствии, – мне всё немедленно стало ясно»[330 - Цит. по: Ibid., p. 265.].
А именно ему немедленно стала ясна связь между его электронами на орбитах и линиями светового спектра. Бор предположил, что электрон, связанный с ядром, в нормальном состоянии занимает устойчивую базовую орбиту, которую называют основным состоянием. При поступлении в атом дополнительной энергии – например при нагревании – электрон перескакивает на более высокую орбиту, то есть в одно из более высокоэнергетических состояний, и оказывается на большем удалении от ядра. При дальнейшем поступлении энергии электрон продолжает перескакивать на все более высокие орбиты. Если поступление энергии прекращается – если оставить атом в покое, – электроны начинают перескакивать обратно в свои основные состояния:
При каждом таком скачке электрон испускает фотон с соответствующей энергией. Скачки – а следовательно, и величины энергии фотонов – задаются постоянной Планка. Вычитание энергии W
более низкого устойчивого состояния из энергии W
более высокого устойчивого состояния дает величину, в точности равную энергии света, то есть h?.
Из этого изящного упрощения, W
– W
= h?, Бору удалось вывести серию Бальмера. Оказалось, что линии серии Бальмера точно соответствуют энергии фотонов, которые электрон водорода испускает при скачках с одной орбиты на другую в направлении основного состояния.
После чего, совершенно поразительным образом, из несложной формулы
(где m – масса электрона, e – его электрический заряд, а h – постоянная Планка, то есть только фундаментальные значения, а не произвольные числа, выдуманные Бором) Бор получил постоянную Ридберга, причем вычисленное значение совпало с измеренным на опыте с погрешностью менее 7 %! «Ничто на свете не производит на физика более сильного впечатления, – отмечает один американский физик, – чем численное согласие между экспериментом и теорией, и я, бывший свидетелем появления этой формулы, не думаю, что численное согласие в принципе может быть более впечатляющим, чем в этом случае»[331 - Darrow (1952), p. 53.].
Работа «О строении атомов и молекул» имела для физики судьбоносное значение. Она не только предложила пригодную к использованию модель атома, но и показала, что события, происходящие на атомном масштабе, имеют квантовую природу: дробна не только материя, состоящая из атомов и других частиц, но и происходящие в ней процессы. Процессы прерывны, и «гранулой» процесса – например движения электрона внутри атома – является постоянная Планка. Таким образом, старая механистическая физика была неточной; она давала хорошее приближение, работающее для событий крупномасштабных, но оказалась не в состоянии учесть тонкости атомного уровня.
Бор был рад спровоцировать такое столкновение между физикой старой и физикой новой. Ему казалось, что оно должно быть плодотворным с точки зрения развития физики. Поскольку любая оригинальная работа мятежна по своей природе, его статья была не только исследованием физического мира, но и политической декларацией. В некотором смысле в ней предлагалось начать реформистское движение в физике: ограничить ту область, на которую она претендовала, и очистить физику от эпистемологических заблуждений. Механистическая физика стала авторитарной. Она переоценивала свои масштабы, утверждая, что Вселенная и всё в ней жестко подчинены механистическим причинам и следствиям. Геккелианство было доведено в ней до предела, до полной омертвелости. Оно угнетало Нильса Бора так же, как геккелианство биологическое угнетало Кристиана Бора, как сходный авторитаризм в философии и буржуазном христианстве угнетал Сёрена Кьеркегора.
Например, когда первую часть статьи Бора увидел Резерфорд, он тут же обнаружил в ней одну проблему. «Я обнаружил серьезное затруднение в связи с Вашей гипотезой, – писал он Бору 20 марта, – в котором Вы, без сомнения, полностью отдаете себе отчет; оно состоит в следующем: как может знать электрон, с какой частотой он должен колебаться, когда он переходит из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, что Вы вынуждены предположить, что электрон знает заблаговременно, где он собирается остановиться»[332 - Цит. по: Бор Н. Воспоминания об основоположнике науки о ядре и дальнейшее развитие его работ. С. 556.][333 - Цит. по: Bohr (1963), p. 41.]. В 1917 году Эйнштейн показал, что физический ответ на вопрос Резерфорда должен быть статистическим: все частоты возможны, и реализуется наиболее вероятная из них. Однако сам Бор отвечал на этот вопрос в более поздней лекции в более философском и даже антропоморфном ключе: «Принимая за основу неделимость кванта действия, автор настоящей работы предложил представить каждое изменение состояния атома как индивидуальный процесс, который нельзя описать детально и в ходе которого атом переходит из одного так называемого стационарного состояния в другое… Мы здесь так далеко отходим от причинного описания, что каждому атому в стационарном состоянии мы предоставляем свободный выбор между различными возможностями перехода в другие стационарные состояния»[334 - Цит. по: Бор Н. Теория атома и принципы описания природы / Пер. А. М. Френка // Избранные научные труды: В 2 т. М.: Наука, 1971. Т. 2. С. 65.][335 - Цит. по: Feuer (1982), p. 137.]. «Ключевые слова» этого утверждения, как мог бы сказать Харальд Гёффдинг, – это слова индивидуальный и свободный выбор. Бор утверждает, что изменения состояния индивидуального атома непредсказуемы; ключевые слова окрашивают это физическое ограничение личными чувствами.
Собственно говоря, статья 1913 года имела для Бора большое эмоциональное значение. Это был замечательный пример того, как работает наука, и того ощущения подтверждения собственной личности ученого, которое может дать ему научное открытие. Собственные эмоциональные заботы Бора позволили ему осознать ранее никем не замеченные закономерности природного мира. Параллели между психологическими тревогами его юности и его интерпретацией атомных процессов настолько необычайны, что, если бы его статья не обладала такой огромной предсказательной силой, выдвинутые в ней предположения казались бы совершенно необоснованными.
Например, Бор весьма серьезно относился к вопросу о свободе воли. Обнаружение своего рода свободы выбора внутри самого атома было настоящим торжеством его системы убеждений. Раздельные, дискретные электронные орбиты, которые Бор называл стационарными состояниями, напоминают стадии Кьеркегора. Также напоминают они и о попытке Бора переопределить проблему свободы воли при помощи раздельных, дискретных римановых поверхностей. Если между стадиями Кьеркегора существуют разрывы, преодолеть которые можно лишь скачкообразным изменением верований, то и электроны Бора прерывистым образом перескакивают с орбиты на орбиту. Одно из двух «основных допущений»[336 - Ср. Shamos (1959), p. 338.] статьи Бора, на которых он настаивал, заключалось в том, что положение электрона между орбитами нельзя не только рассчитать, но даже и представить себе. Его положения до и после перехода абсолютно не связаны друг с другом. С этой точки зрения каждое стационарное состояние электрона есть состояние завершенное и уникальное, и именно такая цельность определяет его устойчивость. Напротив, непрерывные процессы, предсказываемые классической механикой, которые Бор, по-видимому, ассоциировал с бесконечной рациоцинацией лиценциата, разрывают атом на части или запускают спиральное падение, ведущее к его гибели.
Возможно, Бор справился с эмоциональным кризисом своей юности отчасти благодаря тому, что призвал на помощь бывший у него в детстве дар буквального мышления. Как известно, он настаивал на том, что физика должна быть прочно привязана к фактам, и отказывался выводить рассуждения за пределы подтвержденной на опыте физической реальности. Он никогда не был создателем систем. «Бору свойственно избегать слова “принцип”, – говорит Розенфельд; – он предпочитает говорить о “точке зрения” или, еще лучше, “аргументе”, то есть ходе рассуждений. Также он редко упоминает “законы природы”, а говорит скорее о “закономерностях явлений”»[337 - Rosenfeld (1979), p. 318.]. Такой выбор терминологии вовсе не был вызван ложной скромностью Бора; он напоминал самому себе и своим коллегам, что физика – не грандиозная философская система авторитарных заповедей, а просто, по его излюбленному выражению, способ «задавать вопросы Природе»[338 - Rosenfeld (1963), p. 51.]. Сходным образом он объяснял и свойственную ему сбивчивую, несвязную речь: «Я стараюсь говорить не более ясно, чем думаю»[339 - Oppenheimer (1963), I, p. 7.].
«Он отмечает, – добавляет Розенфельд, – что идеализированные концепции, которые мы используем в науке, в конечном счете неизбежно происходят из повседневного жизненного опыта, который сам по себе уже не поддается дальнейшему анализу. Поэтому каждый раз, когда две такие идеализации оказываются несовместимыми друг с другом, это может означать только, что на их справедливость наложено некое взаимное ограничение»[340 - Rosenfeld (1979), p. 318.]. Бор нашел средство от раскручивающейся спирали сомнений в выходе из того, что Кьеркегор называл «волшебной страной воображения»[341 - Цит. по: Thompson (1973), p. 176.], и возвращении в реальный мир. В реальном мире материальные объекты сохраняются; значит, их атомы, как правило, не могут быть неустойчивыми. В реальном мире иногда кажется, что причины и следствия ограничивают нашу свободу, но в других случаях мы знаем, что выбор остается за нами. В реальном мире сомнения в существовании не имеют смысла; само сомнение доказывает существование сомневающегося. Значительная часть трудностей происходит из языка, этой ускользающей среды, в которой, по мнению Бора, мы безнадежно подвешены. «Неверно думать, – неоднократно говорил он своим коллегам, – будто задача физики состоит в выяснении того, как устроена природа», – именно эту область объявила своей классическая физика. «Физика занимается тем, что мы можем сказать об устройстве природы»[342 - Petersen (1963), p. 12.].
Позднее Бор развил идею о взаимных ограничениях, ведущих к совершенствованию знания, в значительно большей степени. Она стала глубокой философской основой как для его общественной деятельности, так и для его физики. В 1913 году он впервые продемонстрировал ее силу в качестве средства решения задач. «Было ясно, – вспоминал он в конце своей жизни, – и именно в этом и заключалось значение атома Резерфорда, что мы нашли нечто такое, после чего какое бы то ни было продвижение вперед возможно только путем радикальных изменений. И именно поэтому [я] тогда занялся этим вопросом так серьезно»[343 - Bohr OHI, AlP, p. 13.].
4
Заранее вырытая длинная могила
День приезда кайзера был великим днем в жизни Отто Гана. 23 октября 1912 года[344 - В Hahn (1966), p. 70. и Hahn (1970), p. 102, указано 12 октября. Официальная программа подтверждает более позднюю дату.], в день торжественного открытия двух первых Институтов кайзера Вильгельма, химического и физико-химического, – в это время Бор в Копенгагене приближался к созданию своего квантового атома, – в Далеме, юго-западном пригороде Берлина, было сыро[345 - Ср. фотографию «Торжественное открытие Института химии кайзера Вильгельма» в Hahn (1966), после p. 72.]. На императоре Вильгельме II, старшем внуке королевы Виктории, был плащ, защищавший от дождя его мундир; темный воротник его шинели выделялся на более светлой ткани плаща. Официальные лица, шедшие в установленном порядке за императором, – первыми из них были его школьный друг Адольф фон Гарнак и выдающийся химик Эмиль Фишер – обходились темными пальто и цилиндрами; те в конце процессии, у кого были зонты, несли их закрытыми. Школьники выстроились вдоль тротуаров блестящей от дождя улицы с фуражками в руках, как солдаты на параде. Они стояли, по-детски изображая стойку «смирно», обратив благоговейно застывшие, мечтательные лица к проходившему вдоль их строя тучному человеку средних лет с закрученными вверх усами, который верил, что властвует над ними по божественному праву. Им было лет по тринадцать-четырнадцать. Вскоре им предстояло стать солдатами.
Чиновники Министерства культуры убеждали его императорское величество оказать поддержку германской науке. В ответ на их просьбы он предоставил землю бывшей императорской фермы под научно-исследовательский центр. Затем промышленные компании и правительство внесли в научный фонд, Общество кайзера Вильгельма, обильные пожертвования на работу предполагавшихся институтов, число которых к 1914 году достигло семи[346 - Подробности из Haber (1971), p. 49, 50.].
Общество начало свое официальное существование в начале 1911 года, и его первым президентом стал богослов и сын богослова Адольф фон Гарнак. Императорский архитектор Эрнст фон Инне энергично взялся за дело. Кайзер приезжал в Далем на торжественное открытие первых двух завершенных зданий, и ему должен был особенно понравиться Институт химии. Он был построен в глубине широкой лужайки на углу улиц Тильаллее и Фарадейвег: три этажа, облицованные тесаным камнем и усеянные окнами по шесть стекол, крутая, остроконечная шиферная крыша и установленный на уровне крыши над главным входом классический фронтон, опирающийся на четыре дорические колонны. Вдоль поперечной улицы от здания отходило боковое крыло. Между основным корпусом и боковым крылом выступала наподобие шарнира круглая башня, резко поднимающаяся до высоты четвертого этажа. Фон Инне увенчал эту башню куполом. Утверждается, что башня была задумана в качестве уступки вкусу кайзера. Поскольку чувство юмора не входило в число достоинств Вильгельма II, башня ему несомненно понравилась. Ее купол был выполнен в форме гигантского «пикельхаубе», опереточного шлема с пикой, который носил и сам кайзер, и его солдаты.
Оставив Эрнеста Резерфорда в Монреале, Ган переехал в 1906 году в Берлин, где он должен был работать в университете вместе с Эмилем Фишером. Хотя Фишер занимался органической химией и мало что знал о радиоактивности, он понимал, что эта область приобретает все большее значение, а Ган – первоклассный специалист в ней. Он организовал Гану рабочее место в столярной мастерской, находившейся в подвале его лаборатории, и устроил его на должность приват-доцента, что дало не столь прогрессивным университетским химикам повод сетовать на ужасное падение нравов. Химик, утверждающий, что может находить новые элементы при помощи электроскопа с золотой фольгой, наверняка должен был оказаться в лучшем случае посмешищем[347 - Ср. Hahn (1966), p. 50.], а то и попросту мошенником.
Ган обнаружил, что университетские физики ближе ему по духу, чем химики, и регулярно бывал на физических коллоквиумах. На одном из таких коллоквиумов осеннего семестра 1907 года он познакомился с австрийкой Лизой Мейтнер, только что приехавшей из Вены. Мейтнер было двадцать девять лет; она была на год старше Гана. Она защитила диссертацию в Венском университете и уже опубликовала две работы по альфа- и бета-излучению. В берлинскую докторантуру ее привлекли лекции Макса Планка по теоретической физике.
Ган увлекался гимнастикой, лыжами и альпинизмом; он отличался мальчишеской красотой, любил пиво и сигары, говорил с тягучим рейнским произношением и обладал мягким, самоуничижительным чувством юмора. Ему нравились красивые женщины, и он всячески их обхаживал и сохранял дружбу со многими из них на протяжении всей своей жизни счастливо женатого человека[348 - Ср. Hahn (1970).]. Мейтнер была миниатюрной черноволосой красавицей, хотя и болезненно стеснительной. Ган подружился с нею. Когда она обнаружила, что у нее остается свободное время, она решила заняться экспериментальными исследованиями. Ган тоже. Ей нужен был сотрудник. Гану тоже. Сотрудничество физика и радиохимика оказалось весьма плодотворным.
Им нужна была лаборатория. Фишер разрешил Мейтнер занимать часть столярной мастерской при условии, что она никогда не будет появляться в лабораториях надземных этажей, в которых работали студенты – исключительно мужского пола. В течение двух лет она строго соблюдала это правило; затем, когда правила работы университета стали либеральнее, Фишер смилостивился, разрешил женщинам поступать на учебу и выпустил Мейтнер из подвала. Вена была в то время местом лишь немногим более просвещенным. Прежде чем Мейтнер смогла приступить к изучению физики, ее отец, адвокат, – все семейство Мейтнер состояло из ассимилированных, крещеных австрийских евреев – заставил ее получить диплом учителя французского, чтобы она всегда могла найти средства к существованию. Только после этого она могла начать готовиться к работе в университете. Получив этот диплом, Мейтнер прошла восьмилетний подготовительный курс гимназии за два года. Она была второй женщиной, получившей в Вене степень доктора философии. Ее отец спонсировал ее исследовательскую работу по меньшей мере до 1922 года, когда Макс Планк, ставший к тому времени горячим поклонником таланта Мейтнер, устроил ее на должность научного ассистента. Эйнштейн называл ее «немецкой мадам Кюри», характерным образом смешивая все германские народы, несмотря на ее австрийское происхождение[349 - Ср. Frisch (1979), p. 3.].
«Ни о каких более тесных отношениях между нами вне лаборатории не было и речи, – говорит Ган. – Лиза Мейтнер была воспитана в строгих, благородных правилах и была женщиной сдержанной, даже стеснительной». Они никогда вместе не обедали, никогда вместе не гуляли и встречались только на коллоквиумах и в своей столярной мастерской. «И тем не менее мы были близкими друзьями»[350 - Hahn (1970), p. 88.]. Чтобы скрасить долгие часы, которые занимали измерения радиоактивных материалов для определения времени их полураспада, она насвистывала ему мелодии Брамса и Шумана. В 1908 году, когда Резерфорд проезжал через Берлин, возвращаясь с церемонии вручения Нобелевской премии, она самоотверженно водила Мэри Резерфорд по магазинам, пока мужчины, оставшись вдвоем, с удовольствием предавались долгим беседам.
В 1912 году близкие друзья вместе переехали в новый институт и вместе работали над подготовкой выставки для кайзера. Когда Ган только начинал заниматься радиохимией, еще в Лондоне, до отъезда в Монреаль, он обнаружил, как ему тогда казалось, новый элемент, радиоторий, в сто тысяч раз более радиоактивный, чем скромный торий, по которому он был назван. В Университете Макгилла он открыл третье вещество, промежуточное между первыми двумя; его он назвал мезоторием. Впоследствии выяснилось, что мезоторий – один из изотопов радия. Соединения мезотория давали в темноте слабое свечение, радикально отличавшееся по интенсивности от свечения соединений радиотория. Ган подумал, что эти различия могут заинтересовать монарха. Он поместил ничем не прикрытый образец мезотория, интенсивность излучения которого была эквивалентна 300 миллиграммам радия, на бархатной подушечке в маленькую коробку. Этот эффектный сувенир он поднес кайзеру, предложив тому сравнить его с «излучающим образцом радиотория, создававшим в темноте очень приятные движущиеся формы на экране»[351 - Hahn (1966), p. 71.]. Никто не предупредил его величество о радиационной опасности, потому что никаких правил техники безопасности при работе с радиационным излучением еще не было установлено. «Если бы я сделал такое сегодня, – говорил Ган пятьдесят лет спустя, – я оказался бы в тюрьме»[352 - Hahn (1970), p. 110.].
Судя по всему, никакого вреда мезоторий не причинил. Кайзер проследовал во второй институт, в полуквартале к северо-западу по Фарадейвег, за боковым крылом. Институтом химии, в котором работали Ган и Мейтнер, руководили два заслуженных химика, но Институт физической химии и электрохимии, если называть его полным именем, был организован специально для человека, ставшего его первым директором, непростого в общении, изобретательного химика, немецкого еврея из города Бреслау Фрица Габера. Это была своего рода награда. Создание и работу института финансировал один из промышленных фондов Германии, потому что в 1909 году Габеру удалось разработать практический метод извлечения азота из воздуха для производства аммиака. Аммиак использовался в качестве искусственного удобрения, и это изобретение позволяло отказаться от основного для Германии и всего мира природного источника, нитрата натрия[353 - Он же чилийская селитра, NaNO
.], который добывали в иссушенной пустыне на севере Чили. Этот источник был дорогим и ненадежным. Процесс Габера имел и неоценимое стратегическое значение: в военное время нитраты требовались для производства взрывчатки, а собственных источников нитратов у Германии не было.
На церемонии открытия император Вильгельм распространялся об опасности гремучего газа, взрывчатой смеси метана с другими газами, которая накапливается в шахтах. Он призвал химиков найти какие-нибудь средства для его раннего обнаружения. Решение этой задачи, сказал он, «сто?ит пота на благородных лбах»[354 - Цит. по: Ibid., p. 102.]. Габер со своим благородным лбом – он брил свою круглую голову налысо, носил круглые очки в роговой оправе и усы щеточкой, хорошо одевался, задавал изящные обеды, но был очень несчастлив в семейной жизни, – начал работать над созданием свистка-индикатора метана, который должен был менять высоту тона при наличии в воздухе опасных газов. Получив в свое распоряжение современную лабораторию, не загрязненную старой радиоактивностью, Ган и Мейтнер приступили к работам по радиохимии, а также в новой области ядерной физики. Кайзер вернулся из Далема в свой берлинский дворец, довольный тем, что оставил свое имя на очередном учреждении расцветающей германской державы.
Летом 1913 года Нильс Бор отплыл в Англию в сопровождении молодой жены. Перед ним отправились вторая и третья части его эпохальной статьи, которые он уже отослал Резерфорду по почте; он хотел обсудить их до публикации. В Манчестере он вновь увиделся со своим другом Дьёрдем де Хевеши и некоторыми другими исследователями. Один из тех, с кем он там встретился, возможно, впервые, был Генри Гвин Джефрис Мозли, которого все звали Гарри, выпускник Итона и Оксфорда, работавший с Резерфордом – в качестве лаборанта, показывавшего студентам опыты, – с 1910 года. Двадцатишестилетний Гарри Мозли был готов к великим свершениям. Ему не хватало только исходного толчка – и таким толчком стал приезд Бора[355 - Материалы о Мозли изложены по Heilbron (1974).].
Мозли был одиночкой, «человеком настолько замкнутым, – говорит А. С. Рассел, – что я не мог понять, нравится он мне или нет»[356 - Цит. по: Ibid., p. 57.], но имел неприятное обыкновение не сдерживаться, когда при нем высказывали какое-нибудь безосновательное утверждение. В тех редких случаях, когда он отрывался от работы, чтобы выпить чаю в лаборатории, ему удавалось осадить даже самого Эрнеста Резерфорда. Остальные «мальчики» Резерфорда прозвали его Папой. Мозли уважал шумного лауреата, но, конечно, никогда не выражал столь интимных чувств; ему казалось, что Резерфорд прикидывается неотесанным провинциалом.
Сам Гарри происходил из рода выдающихся ученых. Его прадед, управлявший приютом для умалишенных, был целителем увлеченным, но так и не обзаведшимся врачебным дипломом, зато дед его был капелланом и профессором натуральной философии в Кингз-колледже, а отец стал биологом трехлетней экспедиции на корабле «Челленджер», по материалам которой было опубликовано новаторское исследование Мирового океана в пятидесяти томах. Генри Мозли – Гарри назвали так же, как звали его отца, – удостоился дружеской похвалы Чарльза Дарвина за свой популярный однотомный отчет под названием «Записки натуралиста о путешествии на “Челленджере”» (Notes by a Naturalist on the Challenger); в свою очередь, Гарри работал в Манчестере с внуком Дарвина, физиком Чарльзом Г. Дарвином.
Хотя он был замкнут до чопорности, в экспериментальной работе он был неутомим. Иногда он работал по пятнадцать часов подряд, до глубокой ночи, пока не доходил до полного изнеможения; тогда, где-то перед рассветом, он подкреплялся скудной трапезой из сыра и ложился спать на несколько часов, а в полдень завтракал фруктовым салатом. Он был человеком подтянутым, аккуратным в одежде и консервативным и любил своих сестер и овдовевшую мать, которой он регулярно писал непринужденные и теплые, полные любви письма. Когда он заканчивал Оксфорд, приступ сенной лихорадки не позволил ему сдать выпускные экзамены по дополнительным курсам; он терпеть не мог преподавать манчестерским студентам, среди которых было много иностранцев – «индусов, бирманцев, япошек, египтян и прочих индийских подонков»; он испытывал отвращение к их «надушенной нечистоплотности»[357 - Из письма Мозли к матери, там же, p. 176.]. Но осенью 1912 года Гарри наконец нашел себе великую тему для работы.
10 октября он писал матери: «Некоторые немцы получают чудесные результаты, пропуская икс-лучи сквозь кристаллы, а затем фотографируя их»[358 - Ibid., p. 193.]. Немцы эти работали в Мюнхене под руководством Макса фон Лауэ. Фон Лауэ обнаружил, что упорядоченная, повторяющаяся структура кристалла позволяет получить из рентгеновских лучей монохроматическую интерференционную картину подобно тому, как зеркальные, разнесенные на малое расстояние внутренняя и внешняя поверхности мыльного пузыря создают цветовую интерференционную картину из белого света. Открытие рентгеновской кристаллографии принесло фон Лауэ Нобелевскую премию. Мозли и Ч. Г. Дарвин приступили к исследованию этой новой области. Они достали необходимое оборудование и проработали всю зиму. К маю 1913 года они научились использовать кристаллы в качестве спектроскопов и заканчивали первую основательную работу. Рентгеновские лучи представляют собой высокоэнергетический свет с чрезвычайно малыми длинами волн. Атомная решетка кристалла разлагает их в спектр приблизительно так же, как призма разлагает видимый свет. «Мы выяснили, – писал Мозли своей матери 18 мая, – что источник икс-лучей с платиновой мишенью создает спектр с четкими линиями пяти длин волн… Завтра мы будем искать спектры других элементов. Речь идет о совершенно новой отрасли спектроскопии, которая непременно должна рассказать нам многое о природе атома»[359 - Ibid., p. 205.].
Затем приехал Бор, и они стали обсуждать старую идею Бора о том, что порядок расположения элементов в периодической системе должен соответствовать росту атомного номера, а не атомного веса, как считали химики. Например, атомный номер урана равен 92; атомный вес самого распространенного из изотопов урана равен 238; более редкий изотоп урана с атомным весом 235 имеет тот же атомный номер. Гарри мог заняться поисками регулярных смещений длин волн в линейчатых рентгеновских спектрах и доказать тем самым справедливость предположения Бора. Атомный номер должен был дать место для размещения в периодической системе всех уже открытых разнообразных физических разновидностей атомов, которые вскоре после этого получили название «изотопы»; атомный номер, определяющий заряд ядра и, следовательно, число электронов в атоме, от которого зависят химические свойства элемента, стал бы веским аргументом в пользу модели атома Резерфорда; линии рентгеновского спектра стали бы дополнительным подтверждением предложенных Бором квантовых электронных орбит. Эту работу Мозли предстояло выполнить в одиночку: Дарвин занялся к тому времени другими вопросами.
Бор вместе с терпеливой Маргрете уехал в Кембридж, чтобы отдохнуть и окончательно довести до блеска свою статью. В конце июля Резерфорд и Мэри отправились в поход по идиллическим горам Тироля. Мозли остался в «невыносимо жарком и душном» Манчестере и продолжал работать в стеклодувной мастерской. «Даже сейчас, около полуночи, – писал он матери через два дня после отъезда Резерфорда, – я снимаю пиджак и жилет и работаю, открыв окна и двери, чтобы впустить хоть немного воздуха. Я приеду к тебе, как только доведу свой аппарат до рабочего состояния, еще до начала измерений»[360 - Ibid., p. 206.]. 13 августа он все еще работал над ним. Он объяснил, чего именно он хочет добиться, в письме к своей сестре Марджери:
Так я хочу найти длины волн рентгеновских спектров как можно большего числа элементов, так как я считаю, что они окажутся гораздо более важными и фундаментальными, чем обычные световые спектры. Чтобы найти длины волн, нужно отражать икс-лучи, идущие от мишени из исследуемого элемента [при обстреле такой мишени катодными лучами]… После этого мне нужно всего лишь определить углы, под которыми они отражаются, и это дает мне длины волн. Я хочу добиться точности порядка по меньшей мере одной тысячной[361 - Ibid., p. 207, 208.].
Боры вернулись в Копенгаген, Резерфорды вернулись из Тироля, а потом наступил сентябрь, время ежегодного собрания Британской ассоциации, которое проходило в том году в Бирмингеме. Бор не собирался там быть, особенно после того, как слишком задержался в Кембридже, но Резерфорд считал, что приехать ему все же следует: вся конференция наверняка только и будет говорить, что о его квантовом атоме и поразительных спектральных предсказаниях. Бор уступил и поспешил приехать. Гостиницы Бирмингема были переполнены. Первую ночь он спал на бильярдном столе[362 - Bohr OHI, AlP, p. 7.]. Затем предприимчивый де Хевеши нашел ему койку в общежитии женского колледжа. «И это было очень, очень удобно и удачно», – вспоминал впоследствии Бор, тут же добавляя, что «девушки были в отъезде»[363 - Ibid.].
Президент Британской ассоциации сэр Оливер Лодж упомянул работу Бора в своем вступительном слове. Резерфорд рекламировал ее на заседаниях. Джеймс Джинс, специалист по математической физике из Кембриджа, шутливо отметил, что «единственным выдвинутым до сих пор обоснованием этих предположений является веский аргумент их успешности»[364 - Цит. по: Rozental (1967), p. 58.]. Физик из Кавендишской лаборатории Фрэнсис У. Астон сообщил, что ему удалось разделить две разные по весу формы неона путем кропотливого рассеяния большой порции этого газа в трубочной глине, повторенного несколько тысяч раз, – «несомненное доказательство, – отметил де Хевеши, – того, что элементы с разными атомными весами могут обладать одними и теми же химическими свойствами»[365 - Цит. по: Eve (1939), p. 224.]. Из Франции приехала Мария Кюри, «державшаяся скромно, – говорит А. С. Ив, – замкнуто, хладнокровно и благородно»[366 - Ibid., p. 223.]. Она отбилась от вцепившихся в нее британских журналистов похвалами Резерфорду: она предсказывала, что его работа «вероятно, будет иметь важнейшие последствия». Она назвала его «единственным ныне живущим человеком, от которого человечество может ожидать неоценимых благ»[367 - Цит. по: Ibid., p. 224.].
Осенью этого же года Харальд Бор сообщал брату, что молодые ученые в Гёттингене «не решаются поверить, что в [твоей статье] может излагаться объективная истина; они находят эти предположения слишком “дерзкими” и “фантастическими”»[368 - Bohr (1972), p. 567.]. На фоне все еще существующего скептицизма многих европейских физиков Бор узнал от де Хевеши, что на самого Эйнштейна, которого тот встретил на конференции в Вене, его работа произвела сильное впечатление. Сходную историю де Хевеши рассказал и Резерфорду:
Когда мы с Эйнштейном говорили на разные темы, мы коснулись и теории Бора, и он сказал мне, что у него когда-то были похожие идеи, но он не осмелился их опубликовать. «Если теория Бора верна, она имеет огромное значение». Когда я рассказал ему о [недавнем обнаружении спектральных линий, находящихся именно там, где предсказывала их появление теория Бора], большие глаза Эйнштейна стали еще больше, и он сказал мне: «В таком случае это одно из величайших открытий».
Я был очень рад услышать от Эйнштейна эти слова[369 - Цит. по: Eve (1939), p. 226.].
Рад был и Бор.
Мозли продолжал трудиться. Сначала ему не удавалось получить четкие фотографии рентгеновских спектров, но, когда он наконец овладел этой техникой, результаты оказались поразительными. Характеристические спектральные линии сдвигались по мере продвижения по периодической системе, каждый раз на один шаг, с абсолютной регулярностью. Совмещая одинаковые линии, Мозли составил маленькую лестницу из полосок фотопленки. 16 ноября он писал Бору: «В течение последних двух недель или около того я получал результаты, которые должны вас заинтересовать… До сих пор я работал с серией К [спектральных линий] от кальция до цинка… Результаты получились чрезвычайно простыми и в основном соответствуют вашим ожиданиям… K = N – 1 с высокой точностью, где N – атомный номер».
Для кальция значение было равно 20, для скандия – 21, для титана – 22, для ванадия – 23, и так далее вплоть до цинка, для которого оно составляло 30. В заключение Мозли пишет, что его результаты «убедительно подтверждают те общие принципы, которые Вы используете, что чрезвычайно меня радует, так как Ваша теория влияет на физику великолепным образом»[370 - Heilbron (1974), p. 211–213.]. Безупречная работа Гарри Мозли дала экспериментальное подтверждение концепции атома Бора – Резерфорда, гораздо более убедительное и приемлемое, чем опыты Марсдена и Гейгера по рассеянию альфа-частиц. «Потому что, видите ли, – сказал Бор в своем последнем интервью, – работу Резерфорда на самом деле не принимали всерьез. Сейчас это невозможно понять, но ее вовсе не принимали всерьез… Великий переворот произвел Мозли»[371 - Bohr OHI, AlP, p. 4.].
Отто Гана в очередной раз пригласили продемонстрировать его радиоактивные препараты. В начале весны 1914 года химическая компания Bayer, находившаяся в городе Леверкузене в Рейнской области близ Кёльна, давала прием по случаю открытия большого лекционного зала. Германская химическая промышленность лидировала в мире, а Bayer была крупнейшей химической компанией Германии: в ней работало более десяти тысяч сотрудников. Она выпускала около двух тысяч видов красок, многие тонны неорганических химикатов и широкий ассортимент медикаментов. Управляющий директор компании Карл Дуйсберг, химик, предпочитавший американский стиль управления промышленными предприятиями, пригласил на этот прием оберпрезидента Рейнской области; затем, чтобы придать мероприятию еще больше блеска, он позвал Гана[372 - Ср. Haber (1971), p. 128.].
Ган прочитал собравшимся сановникам лекцию о радиоактивности. В начале лекции он написал имя Дуйсберга на запечатанной фотопластинке маленькой стеклянной трубкой, наполненной концентрированным мезоторием. Пока он говорил, лаборанты проявили пластинку; в конце лекции Ган спроецировал радиографическую подпись на экран, чем вызвал восторженные аплодисменты.
Кульминация этого праздника в огромном химическом комплексе площадью под 400 гектаров наступила вечером. «Вечером был устроен банкет, – с ностальгией вспоминал потом Ган, – и всё на нем было превосходным. На каждом из маленьких столиков стояло по великолепной орхидее, которые доставили из Голландии по воздуху». Орхидеи, доставленные на скоростном биплане, вполне могли служить символом процветания и мощи Германии в 1914 году, но управляющий директор хотел продемонстрировать еще и германское техническое превосходство и нашел весьма экзотические средства его выражения: «На многих столах, – говорит Ган, рисуя картину невообразимо футуристического прошлого, – вино охлаждалось при помощи сжиженного воздуха, залитого в теплоизолированные сосуды»[373 - Hahn (1970), p. 107.].
Когда началась война, Нильс и Харальд Боры были в походе в Австрийских Альпах, проходя в день до тридцати пяти километров. «Невозможно описать то поразительное и прекрасное ощущение, – писал Нильс Маргрете из этого путешествия, – которое возникает, когда со всех горных вершин внезапно начинает опускаться туман, сперва совсем маленькими облачками, а в конце концов заполняя всю долину»[374 - Цит. по: Rozental (1967), p. 64.]. Братья планировали вернуться домой 6 августа; война накатила так же внезапно, как горный туман, и они поспешили вернуться через Германию, чтобы успеть до закрытия границ. В октябре Бор с женой отплыли из нейтральной Дании в Англию: Бору предстояли два года преподавания в Манчестере. Мальчики Резерфорда уходили на войну, и ему требовалась помощь.
Гарри Мозли был в начале августа вместе с матерью в Австралии, на собрании Британской ассоциации 1914 года; в свободное время он разыскивал утконосов и живописные серебряные рудники. Патриотизм австралийцев, которые немедленно начали мобилизацию, пробудил в нем итонский дух верности королю и отечеству. Он отплыл в Англию, как только нашел место на корабле. К концу октября он наконец заставил сопротивлявшегося офицера призывной комиссии вне очереди утвердить его в звании лейтенанта Королевского инженерного корпуса.
Хаим Вейцман, высокий, крепко сложенный биохимик из российских евреев, тесно друживший с Эрнестом Резерфордом в Манчестере, был пылким сионистом в то время, когда многие – в том числе и многие из влиятельных британских евреев – считали сионизм движением по меньшей мере идеалистическим и наивным, если не безумным, фанатическим и даже опасным. Но Вейцман, хотя и был сионистом, также искренне восхищался британской демократией и почти сразу же после начала войны отмежевался от Международной сионистской организации, так как она предлагала сохранять нейтралитет. Ее европейские лидеры ненавидели царскую Россию, бывшую союзницей Англии; Вейцман тоже ее ненавидел, но, в отличие от них, не верил, что Германия с ее культурным и техническим превосходством выиграет эту войну. Он верил в победу западных демократий и считал, что судьба еврейства должна быть связана с ними.
В момент начала войны он ехал в отпуск в Швейцарию в сопровождении жены и маленького сына. Им удалось вернуться в Париж, где он посетил престарелого барона Эдмонда де Ротшильда, бывшего финансовой опорой передовых сельскохозяйственных еврейских поселений в Палестине. К удивлению Вейцмана, Ротшильд разделял его оптимизм относительно исхода войны и тех возможностей, которые это открывало для евреев. Хотя Вейцман не занимал никакого официального положения в сионистском движении, Ротшильд посоветовал ему найти лидеров британских сионистов и поговорить с ними.
