Новая идея проясняет некоторые прежние расхождения. Содди исходит из того, что все радиоактивные элементы - такие, как уран, радий и торий, - имеют разные сорта атомов, которые впоследствии будут названы "изотопами". Они хоть и обладают одинаковыми химическими свойствами, но совершенно различаются по физической структуре. Если следовать теории Содди, то Отто Ган в 1905 году у Рамсея в Лондоне открыл не новый элемент радиотор, а лишь доселе неизвестный дополнительный изотоп тория. И другое открытие Гана - мезотор - тогда тоже не новый элемент, а всего лишь другой изотоп радия. Для всех изотопов радия характерно следующее: у них разные физические свойства - индивидуальный вид распада, собственный период полураспада и атомный вес. Тогда как в отношении химических свойств они не отличаются от элементарного радия. Отто Ган сожалеет, что сам не опубликовал аналогичную догадку, добытую в многолетних кропотливых трудах. "А ведь Содди наверняка сделал не так много негативных опытов отделения, как я, - ропщет Ган на самого себя, но все же справляется с завистью: - ...но у него было больше мужества". Резерфордовская модель атома и соддиевская теория изотопов еще не завершены, но оба исследователя - в который раз - на верном пути к лучшему пониманию атома.
На торжественное открытие Химического института кайзера Вильгельма двадцать третьего октября 1912 года кайзер вознамерился прибыть собственной персоной. Надо бы устроить для него нечто особенное, и Гану выпадает сомнительная честь сыграть роль чужеземца и продемонстрировать его величеству эффект свечения мезотора. Накануне открытия прибыл, бряцая волочащейся саблей, императорский флигель-адъютант, чтобы проинспектировать здание и местность. Офицеру необходимо точно знать торжественную программу в ее последовательности. Ган предполагает показать 300 миллиграммов мезотора - поистине царское количество - в красивой коробочке на бархатной подушечке. От свинцового экрана наплевательски решили отказаться из эстетических соображений. Чтобы подобающе инсценировать эффект самосвечения препарата, комната, естественно, должна быть хорошо затемнена. Что флигель-адъютант, однако, решительно отверг: "Исключено, мы не можем направить его величество в совершенно темную комнату".
Призванный для содействия шеф института Эмиль Фишер выторговал компромисс. Путь императору в темноте будет указывать маленькая красная лампочка. Однако в день торжественного открытия выясняется, что Вильгельм II темноты не боится. Он отказывается от красной лампочки. Ган демонстрирует ему эффект свечения, а выделяющийся из препарата радиоактивный газ полыхает по сернистоцинковому экрану изумрудными волнами.
В то время как Мария и Пьер Кюри в Париже в месяцы до и после смены века изучают радий в богемской смоляной обманке, немецкий физик Макс Планк в Берлине занят излучением так называемого абсолютно черного тела. В качестве экспериментального приближения к этому представлению можно, пожалуй что, представить полость разогретой самодувной печи в лаборатории Мартина Генриха Клапрота. По законам классической физики невозможно увидеть излучаемый печью световой спектр - от светло-желтого через красный и голубовато-белый до вошедшего в поговорку цвета белого каления. Более того, при постоянно нарастающем жаре в раскаленных стенках печи должно преобладать коротковолновое излучение, так что вскоре отдаваться будет только свет ультрафиолетовой области. К тому же в неограниченном количестве. Если уютно примоститься у такой коротковолновой печки, то будешь ощущать тепло, но свет огня видеть не сможешь, потому что доминирующий ультрафиолетовый свет невидим. К счастью, такой печи не бывает, ибо в физической реальности нет бесконечной энергетической ценности. Однако основанная на ньютоновской механике теория теплового излучения требует в конечном счете именно бесконечной энергетической ценности. На этом основании классическая теория не может быть верной.
Макс Планк, профессор теоретической физики Берлинского университета, работал над решением этой проблемы в течение трех лет, пока четырнадцатого декабря 1900 года не выдвинул наконец поистине революционную гипотезу ради того, чтобы непротиворечиво описать фактический спектр электромагнитного излучения. По этой гипотезе тепловое излучение нагретых тел не может быть непрерывным процессом, при котором энергетические уровни плавно, без скачков становятся сколь угодно малы. Вместо этого энергообмен между горячими стенками печи и излученным светом идет - чтобы не нарушать картину - дискретно, долями, ступенчато отделенными друг от друга. Здесь больше нет плавных переходов, а есть скачки. Минимальную порцию энергии, которую можно испустить или поглотить, Планк называет квантом. Энергия одного кванта - произведение частоты излучения и природной константы, которую сам Планк поначалу называет элементарным квантом действия, но которую вскоре в его честь назовут постоянной Планка. Ее размерность - исчезающее малое количество энергии, умноженное на время, - самое малое допустимое в природе действие. Это невообразимо малое число, а именно нуль, за которым после запятой следуют еще 34 нуля, прежде чем появится наконец пара значащих цифр. Бесспорное указание на то, что речь идет об атомарных порядках величин.
Не пройдет и недели после презентации его гипотезы, как другие ученые подтвердят своими вычислениями справедливость решения Планка: их экспериментальные данные согласуются с его теорией. Никто, даже сам Планк, не понимает, почему именно неполноценные "затычки", получившие определение квантов, создают помехи ультрафиолетовым печам. Но они вряд ли могут что-то значить в реальном мире, полагает первооткрыватель. Они могут представлять собой не более чем гениальную математическую уловку - таково единодушное мнение сообщества физиков. Англичане говорят о типично немецком изобретении, которое элегантно устраняет бесконечные величины.
Макс Планк безоговорочно поддерживает оценку своих коллег. Он чуть ли не оправдывается за свою искусную уловку, даже называет ее "актом отчаяния". Мол, он хотел "любой ценой, даже удвоенной" найти решение и рассматривает кванты лишь как временное средство. Не сам ли он обозначил свою константу буквой "Н", которая происходит от слова "вспомогательная величина" (Hilfsgröße)? Мол, уже в ближайшее время его работа подвергнется пересмотру и тогда станет понятен краткосрочный характер этих беспокойных переходов энергии. Ведь нет ничего более чуждого ему, закоренелому консерватору, чем ставить этим дискретным квантом под сомнение Лейбница, который не допускал в природе никаких скачков. Без сомнения, мол, в обозримом времени эта вынужденная конструкция отыщет вход в более объемлющую теорию, которая не будет так нахально противоречить классической физике. Естественно, в этих утешительных мыслях о предстоящем примирении между ньютоновской традицией и своей, в корне новой, концепцией Макс Планк не мог брать в расчет одного молодого изобретательного физика.
Родившийся в Ульме, выросший в Мюнхене и в семнадцать лет добровольно отрекшийся от немецкого подданства, чтобы избежать солдатской службы, этот не имеющий гражданства выпускник Цюрихского политехникума с дипломом преподавателя физики и математики колесит по Швейцарии в поисках работы. Даже и по окончании учебы он по-настоящему старается держаться в курсе последних разработок в области теоретической физики. Несколько недель в качестве подменяющего учителя в Винтертуре, потом ничтожная работа частного учителя в Шафхаузене, чтобы подготовить абитуриента к экзаменам, скандал с семейством ученика и изгнание с треском, потому что он находит нестерпимыми разговоры за обедом и с обезоруживающей самонадеянностью требует, чтобы по этой причине его еду, оплаченную, разумеется, работодателем, он мог забирать с собой в гостиницу. На все его заявления о должности ассистента "у всех профессоров от Северного моря до самой южной точки Италии" он получает иногда уведомления о получении письма, но никогда не получает личного ответа. Да, несколько иначе представлял себе начало своей научной карьеры двадцатитрехлетний Альберт Эйнштейн. К тому же его подруга сербского происхождения беременна. И обе родительские пары против этого союза.
Но позднее, летом 1902 года, фортуна, похоже, повернулась к нему лицом. Отец друга способствует злосчастному выпускнику в получении должности технического эксперта III класса в Швейцарской государственной службе интеллектуальной собственности в Берне. Швейцарское гражданство, необходимое для работы в патентном бюро, ему уже предоставлено. Сорокавосьмичасовая рабочая неделя в качестве "батрака патентов", как он сам называл себя, не удерживает его от того, чтобы давать еще и частные уроки и регулярно писать статьи для "Анналов физики", самого значительного в мире специального журнала. Весной 1905 года он формулирует свою "квантовую гипотезу света". Она идет еще на шаг дальше революции Планка. Альберт Эйнштейн размышляет о так называемом фотоэлектрическом эффекте. Там все дело во взаимодействии света и материи. Когда луч коротковолнового света попадает на поверхность металла, энергия света выбивает электроны из атома металла. Доступная при этом энергия не зависит ни от интенсивности, ни от яркости света, как того требует классическая теория, а лишь от его частоты. Ибо экспериментальные данные однозначно показывают: чем выше частота, тем больше энергии свет передает электронам. И тут вдруг извлекается на свет божий формула Планка, в которой энергия как раз и определяется частотой света.
Чтобы лучше понять эти обстоятельства, Эйнштейн предлагает пересмотреть классическую концепцию исключительно волновой природы света. Если свет отражается от зеркала или преломляется поверхностью воды, его можно рассматривать как волну. Но если свет обменивается энергией с атомами металла, его нужно понимать как частицы. И эти частицы света вроде как идентичны квантам Планка, этим четко ограниченным долям энергии, они якобы являются "квантами света", которые - пусть и вопреки собственным представлениям Планка - на самом деле обладают физической реальностью. Они носятся в пространстве как невообразимо маленькие ракеты и обладают силой выбивать электроны из атомов металла. В итоге квантовая гипотеза света пошатнула теоретическое здание классической физики. То, что Планк лишь робко надпилил - с глубоким сожалением и с надеждой на будущее выздоровление, - служащий Бернского патентного бюро, доросший до технического эксперта II класса, теперь обрушивает прямо-таки с наслаждением и с большим шумом. Его необычайное утверждение гласит: свет может быть как волной, так и частицей.
Из математической уловки Планка, из его всего лишь вспомогательного коэффициента h становится атомарной реальностью. Хоть на нее поначалу и дивились лишь как на блестящую идею в обширном заповеднике синапсов импульсивного Эйнштейна. Ибо мало у кого хватило храбрости поддержать отчаянную точку зрения, сформулированную этим независимым умником из Берна. Даже сам изобретатель кванта Макс Планк поначалу воздерживается бросать в воздух шляпу. Это кажется парадоксальным, ведь как-никак в эйнштейновском толковании фотоэлектрического эффекта совершенно недвусмысленно всплывает планковская формула энергии E=hν. Значок ν, греческая буква "ню", здесь обозначает частоту света.
Эрнест Резерфорд, представляя себе структуру мельчайшей единицы материи, воспользовался аналогией из необъятных просторов Солнечной системы. Подобно тому как кружатся кольца вокруг планеты Сатурн, так видится ему вращение отрицательно заряженных электронов вокруг положительно заряженного ядра. Его теза хоть и подстрахована достаточным количеством экспериментальных данных, но она опять-таки не согласуется с классической физикой. Ибо по законам Максвелла электроны, вращаясь вокруг ядра, в мгновение ока излучили бы всю свою энергию и упали на ядро. Но и это убежище не могло бы стать надежным для потухших электронов, потому что положительно заряженные частицы ядра, оставшись без своих отрицательных визави, взаимно оттолкнулись бы друг от друга - и само ядро распалось бы. А ведь атомы как раз и отличаются удивительной стабильностью. Резерфорд осознает теоретическую дилемму. Его представление о крошечном атомном ядре, электронной оболочке и обширном пустом пространстве между ними в принципе должно быть верно. Но сам он не отваживается сделать из этого единственно возможный вывод: в атоме не действует классическая электромагнитная теория. Здесь вступают в силу другие законы.
Кембриджский университет, Тринити-колледж - мечта любого молодого физика. Здесь работали Ньютон, Максвелл и лорд Рейли, изменившие мир. В 1911 году заведующего кафедрой и руководителя Кавендишской лаборатории зовут Джозеф Джон Томсон. Он принадлежит к числу виднейших современных физиков. В 1897 году он подтвердил существование электронов в составе атома и разработал собственную теорию атома. Она стала известна как модель "пудинга с изюмом". Томсон убежден, что масса равномерно распределена по всему атому и электроны вкраплены туда, как изюминки в тесто.
Нильс Бор, двадцатисемилетний доктор физики из Копенгагена, явился сюда с большим самомнением и с наивным намерением подискутировать с Томсоном о слабых местах его теории электронов. Однако руководитель института, судя по всему, не принял всерьез многообещающего ученого младшего поколения. Диссертация Бора, с трудом переведенная на английский, так и остается месяцами лежать на письменном столе Томсона. Обмен мыслями не состоялся.
Однако потом Бор видит в Тринити-колледже на ежегодном торжественном ужине в память об открытии электрона почетного гостя вечера: Эрнеста Резерфорда. Находясь в приподнятом настроении от еще свежего опыта выдвижения новой модели атома, тот на своем бывшем рабочем месте с родительской гордостью рассуждает об "атоме-Сатурне". В разгар вечера он побуждает гостей своим громовым голосом встать на стулья, взяться за руки и спеть старую студенческую песню, включая непристойный тайный куплет. Своим авторитетом жизнерадостного ученого он провоцирует молодых докторантов и почтенных профессоров произносить лимерики и тосты. Нильса Бора впечатляет непринужденность и своевольный шарм крестьянского сына из Новой Зеландии, и с этого вечера он проникается к Резерфорду лучшими чувствами. Отныне он человек Резерфорда. В марте 1912 года он покидает Кембридж и отправляется в Манчестер.
Бор атлетически сложен, у него четко очерченный подбородок и крупные ладони. Жесткие волосы он зачесывает назад крутой волной. Из-за этого его и без того высокий лоб производит еще более сильное впечатление. Раньше он был отличным вратарем университетской футбольной команды Копенгагена. Рассказывали, что он выцарапывал формулы и ряды вычислений на столбах ворот, если во время игры ему приходило в голову что-то важное. Нильс Бор и Резерфорд с самого начала находят общий язык. Последний в юности был страстным игроком в регби у себя в Новой Зеландии - то есть оба они были командными игроками, которые, однако, могут оказаться и "в противниках". Открыватель атомного ядра восхищен хваткой молодого человека и умеет оценить разнообразие его интересов. С остроумным Бором он может говорить и на бытовые темы, и на философские, и об искусстве.
Резерфорд, вырастивший из своих учеников одиннадцать будущих лауреатов Нобелевской премии, не колеблясь, говорит: "Этот молодой датчанин самый умный парень из всех, кого я когда-либо встречал".
Ганс Гейгер и Эрнест Марсден, прилежные счетчики альфа-частиц, знакомят Бора с экспериментальными методами новой ядерной науки. К этому времени чуть ли не все радиохимики заняты той проблемой, что два вещества с различным атомным весом могут иметь одинаковые химические свойства и потому вообще-то должны бы занимать одно и то же место в химической периодической системе. То есть радиоактивных веществ больше, чем мест в таблице. Резерфорд тоже не знает объяснения этому странному феномену. Фредерик Содди напряженно работает над этим.
И вот Бор теперь делает из этой парадоксальной ситуации вывод, который озадачивает ученых Манчестера. Он исходит из допущения Резерфорда, что чуть ли не вся масса атома сконцентрирована в ядре, а массой электронов, собственно, можно пренебречь. Итак, если вещества с различными массами ядер могут быть химически идентичными, значит, ядро, возможно, и не влияет на химию элемента. Не убедительно ли было бы посему, задается вопросом Бор, рассматривать число и порядок расположения электронов, вращающихся вокруг ядра, как решающие факторы химических свойств? Тогда как в ядре происходит "лишь" радиоактивный распад, то есть физический процесс. Под этим углом зрения можно рассматривать и "атом-Сатурн" Резерфорда как модель неразрывной связи химии и физики на атомарном уровне.
Разумеется, Бор знаком с работой Планка и знает также квантовую гипотезу света Эйнштейна. Так что не он был первый, кто скорее поставит под сомнение полубогов Ньютона и Максвелла, чем отречется от гипотезы - пусть неправоверной, но удовлетворительно объясняющей реальность. Тем не менее, он знает, конечно, о значении предмета своего исследования. Речь тут идет не меньше, чем о структуре атома, о самой prima materia, основе всех вещей. Неужто, именно здесь, как нарочно, теряют силу столь успешные законы природы? Нильс Бор набирается мужества утверждать именно это. Если электромагнитная теория требует, чтобы электрон падал на ядро, излучая энергию, а этого определенно не происходит, значит, эти законы не работают как раз на базисном уровне материальной действительности.
Чтобы ничего не упустить из виду, Бор склеивает разлинованные листы со своими расчетами в длинный свиток, разворачивая его в разговорах с Резерфордом, словно ученый библейской древности. И постепенно из его числовых рядов и формул начинают проступать "кольца Сатурна": на одном таком "кольце" могут вращаться до восьми электронов. При этом они не теряют энергию и, следовательно, не могут упасть на ядро. Так сохраняется стабильность атома. Но если химию атома определяют число и порядок электронов, то по числу электронов можно установить, имеешь ли дело с атомом гелия, золота или натрия. И поскольку атомы всех элементов электрически нейтральны, число положительно заряженных частиц в ядре в точности соответствует числу отрицательно заряженных электронов.
Удивительным образом из соображений Бора вытекает еще одно числовое соотношение, исполненное смысла. Ведь в химической периодической системе элементы расположены по атомному весу. Легкий водород стоит на первом месте, тогда как уран, как самый тяжелый элемент, на 92-м и - по состоянию науки на текущий 1913 год - последнем месте. Числа этого ранжирного весового списка называются порядковыми номерами элементов. И вот выясняется, что, например, атом магния с порядковым номером 12 имеет также 12 электронов, в железе - 26-м номере периодической системы - ядро окружают ровно двадцать шесть электронов, а ртуть с номером 80 также обладает ровно восемьюдесятью электронами. С этим полным соответствием порядкового номера элемента числу его электронов "атом-Сатурн" Резерфорда постепенно превращается в атомную модель Резерфорда - Бора, которая открывает новые взаимосвязи между физикой и химией элементов.