Книга Восхождение человечества - Джейкоб Броновский

Переломный момент наступил в 1897 году, когда Джозеф Джон Томсон из Кембриджа открыл электрон. Да, у атома есть составные части, он не неделим, на что намекает перевод его названия с греческого. Электрон — малая толика его массы, вполне реальная, несущая электрический заряд. Значит, каждый элемент имеет еще одну характеристику — число электронов в атоме. И их количество в точности равно номеру позиции, которую элемент занимает в таблице Менделеева, если учесть, что водород и гелий расположены под номерами один и два.

Таким образом, у лития три электрона, у бериллия — четыре и т. д. Таким образом, каждый элемент получил атомный номер, который соответствует его месту в таблице Менделеева. Внимание сместилось с атомной массы на атомный номер, а следовательно, что важно, — на атомную структуру.

С этого интеллектуального прорыва начинается современная физика и ее серьезные, «взрослые» открытия. Физика становится грандиозным коллективным трудом в науке и даже шире — грандиозным коллективным трудом в искусстве XX века.

Идея о том, что у атома есть структура — целый мир, захватила воображение художников сразу. Это видно по работам, которые начали создавать живописцы с первых же годов XX века. Например, серии полотен Умберто Боччони «Силы улицы» или картина «Динамизм велосипедиста». Современное искусство зарождалось одновременно с современной физикой, поскольку берет начало в тех же идеях.

Со времен публикации Ньютоном «Оптики» художников завораживали цветные поверхности вещей. В XX веке все изменилось. Как рентгеновский аппарат, художник смотрел на кость, скрытую плотью, и другие структуры, которые изнутри определяют общую форму предмета или тела. Такие художники, как Хуан Грис, занимались анализом структуры. Вспомните природные формы в его «Натюрморте» или человеческие формы в «Пьеро».

Художники-кубисты были без ума от кристаллов. Жорж Брак, например, воплощает в их формах селение на склоне горы в пейзаже «Дома в Эстаке», Пабло Пикассо использует этот прием для изображения женских фигур в групповом портрете «Авиньонские девицы». Начинался кубизм со знаменитого холста Пикассо «Портрет Даниэля-Генри Конвейлера». Художник отказался от традиционного изображения лица в пользу геометрии: голова натурщика разобрана на математические элементы, затем собрана, как реконструкция, сотворена заново.

Поиск скрытой структуры манил живописцев Северной Европы. Франц Марк, например, выполнил в этой манере пейзаж «Олень в лесу». Полотно художника Жана Метценже «Женщина на лошади», любимого многими учеными, купил Нильс Бор. Он был известным коллекционером живописных работ и хранил их в своем доме в Копенгагене.

Есть два четких различия между произведением искусства и научной работой. Во-первых, художник разбивает мир на фрагменты, а затем собирает их на одном холсте. Во-вторых, в процессе работы вы можете наблюдать за его мыслью. (Например, Жорж Сёра написал «Портрет молодой женщины с пуховкой» и «Ле Бек-дю-Хок. Грандкамп», ставя одну цветную точку рядом с другой — и так до тех пор, пока не возникла картина.) Ни то ни другое не применимо к научной работе. Она зачастую носит строгий аналитический характер, и процесс мышления скрыт за обезличенными формулировками.

В качестве темы для беседы я избрал Нильса Бора — одного из отцов-основателей физики XX века, поскольку в обоих отношениях он был великим художником. У него никогда не было готовых ответов. Даже лекции он начинал со слов: «Каждое предложение, которое я произношу, следует рассматривать как вопрос, а не как категорическое утверждение». Первое, что он поставил под вопрос, — строение Вселенной. И все, кто работал с ним, — начинающие и опытные исследователи — раскладывали мир на части, анализировали и заново собирали.

Начинал Нильс Бор вместе со своим однокурсником Эрнестом Резерфордом в 1910-х годах в лаборатории Томсона, выдающегося экспериментального физика. (Томсон и Резерфорд занялись наукой, следуя воле своих овдовевших матерей, впрочем, как и Менделеев). Резерфорд стал впоследствии профессором Манчестерского университета. А в 1911 году он предложил новую модель атома. Он утверждал, что основная масса атома находится в тяжелом ядре в центре, вокруг которого по орбитам кружатся электроны, как планеты вокруг Солнца. Безусловно, блестящая концепция! И какая ирония: спустя три столетия возмутительные идеи Коперника, Галилея и Ньютона вошли в научный оборот как нечто совершенно очевидное и естественное. Такое нередко бывает с гипотезами, которые опережают свое время.

Тем не менее не все с моделью Резерфорда было гладко. Если атом представляет собой маленький механизм, что обеспечивает движение в нем? Это что, маленький вечный двигатель, единственный, которым мы располагаем? Планеты, двигаясь по орбитам, постоянно теряют энергию. Следовательно, их орбиты становятся с каждым годом немного меньше, а со временем эти небесные тела непременно упадут на Солнце. Если электроны двигались бы так же, как планеты, то падали бы на ядро. Либо что-то должно предохранять их от постоянной потери энергии. Должен быть какой-то физический закон, который ограничивал бы потерю электроном энергии определенной величиной.

Этот закон Нильс Бор обнаружил в работе Макса Планка, опубликованной в Германии в 1900 году. Планк показал, что в мире, в котором материя состоит из кусочков, энергия тоже должна быть кусочками, или квантами. Сегодня это не кажется таким уж странным, но в начале XX века идея Планка была революционной. Он это отлично осознавал, поэтому однажды, как обычно отправившись с сыном на прогулку, которую академики всего мира совершают после обеда, он сказал ему: «Я совершил революционное открытие, равное по значимости идеям Ньютона». И это было именно так.

В настоящее время задача, которую решил Нильс Бор, кажется нам очень легкой: с одной стороны, он имел модель атома, описанную Резерфордом, с другой — квант, открытый Планком. Что же замечательного в том, что в 1913 году он, будучи двадцатисемилетним молодым человеком, сумел составить современное представление о структуре атома? Ничего, кроме великолепного процесса мышления, великолепной и удачной попытки синтеза. И идеи поискать доказательство в том единственном месте, где оно может быть: в спектре, где поведение атома становится наблюдаемым для нас.

Чудесная, волшебная идея Бора! Внутрь атома мы заглянуть не можем, но есть окно, целый витраж: спектр атома. Каждый элемент имеет собственный спектр, но не непрерывный, как спектр белого света в опыте Ньютона. Спектр имеет некое число ярких линий, которые характеризуют конкретный элемент. Например, у водорода три достаточно яркие линии в видимом спектре: красная, сине-зеленая и синяя. Бор считал, что эти линии — след высвобождения энергии, которая образуется, когда электрон перескакивает с одной из внешних орбит на внутреннюю.

Пока электрон в атоме водорода остается на одной орбите, он энергии не излучает. Каждый раз, когда он перемещается с внешней орбиты на внутреннюю, разность энергий орбит создает квант света. Эти кванты, испускаемые миллиардами атомов одновременно, мы видим как характерную для водорода линию. Красная линия в спектре водорода означает, что поток электронов перескакивает с третьей орбиты на вторую, сине-зеленая черта демонстрирует, что происходит переход с четвертой орбиты на вторую.