Так слова "наименьшее действие" поселились в физике задолго до Планка. Но они не имели отношения к идее закономерных прерывностей в природе. Напротив, классическое действие менялось непрерывно и запросто могло равняться нулю. Словом, в родословную кванта действия принцип Мопертюи не входил.
Однако же напрашивалась параллель: если классический принцип наименьшего действия универсален - верен и для света, и для камня, и для чего угодно, - почему бы не обладать таким всеобщим значением и неклассическому кванту действия!? Тогда h- универсальная константа не только для всех видов электромагнитного излучения, но и для всех силовых полей вообще, равно как и для вещества.
Планк склонялся к подобному обобщению на 1–м конгрессе Сольвея. И все–таки… и все–таки называл квант действия еще гипотетическим.
А внутреннее сходство между двумя мировыми константами требовало для них и сходства в теоретических судьбах. Открытие предельной скорости с уже привело к созданию новой - релятивистской - механики. Открытие предельного действия hтоже не могло не привести к возникновению новой механики - квантовой. И даже можно было предвидеть, что обе эти механики со временем сольются в одну - квантово–релятивистскую, столь же надежно верную, как классическая механика, но в более широких границах применимости.
Однако так далеко в будущее тогда не заглядывали: ведь квантовой механики еще не существовало. Председательствовавший на конгрессе Лоренц только выдвинул задачу ее создания. И вот тут–то он произнес вторую из обещанных фраз, ради которых заглянули мы на минуту в осенний Брюссель 1911 года:
- Вполне вероятно, что пока происходит коллегиальное обсуждение намеченной проблемы, какой–нибудь мыслитель в уединенном уголке мира уже дошел до ее решения.
Запомним эту фразу, хотя тогда никто еще не дошел…
Больше того, ни на конгрессе, ни за его пределами, по–видимому, никто еще не предполагал, что путь к искомой механике проляжет через атом. И уж того менее - через невозможный, классически обреченный, планетарный атом Резерфорда. Осенью 11–го года не только никто еще "не дошел", но никто и в дорогу–то по–настоящему не собрался. Или - не знал, не ведал, что он в пути…
…Двадцатишестилетний доктор философии из Копенгагена Нильс Бор томился бесплодной стажировкой в Кавендишской лаборатории у Дж. Дж. Томсона.
…Одиннадцатилетний венский гимназист Вольфганг Паули поздними вечерами осваивал звездную карту неба.
…Десятилетний мюнхенский школьник Вернер Гейзенберг охотно разучивал Шуберта на фортепьяно.
…Девятилетний бристольский мальчик Поль Дирак учился отвечать молчанием на претензии старших.
…Трехлетний бакинский малыш Лев Ландау давал окружающим первые уроки духовной независимости.
2
А в 1958 году, когда праздновалось столетие со дня рождения Макса Планка, пятидесятилетний академик Лев Давыдович Ландау рассказывал ученой аудитории о развитии квантовых идей по праву одного из ветеранов квантовой революции. Но даже ему, ветерану, пришлось начать со времен, о которых у него не могло быть собственных воспоминаний. И все же, когда он объяснял, почему для классической физики явились равно непоправимыми катастрофами квант действия Планка и планетарный атом Резерфорда, чудилось, что он говорит о лично пережитом… Так это многие годы воспринималось учеными современниками тех событий в физике: катастрофы!
Вернейший способ не мучиться идейными катастрофами - закрывать на них глаза. Раз уж они всего лишь идейные (дома не рушатся, и гром не гремит), можно долго делать вид, что решительно ничего не произошло. И не происходит.
Как засвидетельствовал Макс Борн, в годы его молодости даже в самых передовых научных центрах Европы о квантовой катастрофе не разговаривали:
"…Сколько мне помнится, в Геттингене я ничего не слышал о квантах; не слыхал я о них и в Кембридже, где весной и летом 1906 года слушал лекции Дж. Дж Томсона… и проходил экспериментальный курс в Кавендише".
А когда пятью годами позже - осенью 1911–го - там проходил экспериментальный курс и слушал лекции Томсона Нильс Бор, такое же замалчивание стало в Кавендишской лаборатории уделом и другой катастрофы - планетарного атома. Через полвека историк Томас Кун прямо спросил Бора: "Был ли тогда в Кавендише хоть кто–нибудь, кто принял атом Резерфорда всерьез?" Бор ответил отрицательно.
Там этот антитомсоновский атом настолько не приняли всерьез, что не удостаивали даже критики - обсуждения вслух. Что с того, что Манчестер был рядом, а Резерфорд по старой памяти почитался в Кембридже "своим"… Ничто не смягчало научного непризнания. И лишь через полгода после начала кембриджской стажировки Нильс Бор впервые - совсем нечаянно - услышал в Кавендише, что, оказывается, существует другая, нетомсоновская, модель атома - планетарная.
Молодой датчанин отнесся к этой новости по–иному, чем остальные кавендишевцы. "Я поверил в нее тотчас!" - воскликнул он в беседе с историком, вспоминая былое.
Это хорошо подтверждается уже одним тем, что он тогда же - в марте 1912 года - постарался перекочевать из Кембриджа в Манчестер. От Томсона - к Резерфорду.
Легко отпуская датчанина, Дж. Дж. не знал, кого он теряет.
Но и Резерфорд, легко принимая датчанина, не знал, кого он приобретает. И уж, разумеется, меньше всего мог он думать, что начинающий доктор философии из Копенгагена станет спасителем его обреченного атома.
Он, Резерфорд, в начале 12–го года был еще полон негодования на "континентальных физиков, не утруждающих свои головы размышлениями о реальных причинах вещей". Бора, по молодости и безвестности, конечно, не было среди участников 1–го конгресса Сольвея, и распространять на него свою досаду у Резерфорда не нашлось бы никаких реальных причин. Но и для веры в звезду копенгагенца не было никаких оснований. Скорее, напротив - "еще один континентальный", только и всего. Однако же он Бора угадал!
Психологически не за что ухватиться, чтобы понять, отчего и как угадал… Многообещающая докторская диссертация Бора по электронной теории металлов Резерфорду была неизвестна. Она лежала в Кембридже и напрасно ждала своего опубликования: Томсон даже не удосужился ее прочитать, пока Бор у него стажировался. Добро бы почувствовал Резерфорд в датчанине родственную душу. Но и этого не могло случиться.
Они были разительно не похожи друг на друга, сын новозеландского фермера и сын копенгагенского профессора. Шумный и тихий. Стремительно решительный и медленно репетирующий решения. Великодушно властный и застенчиво самоуглубленный. И были они разного склада исследователями. Резерфорд говаривал: "Наука проста, если я, простой человек, занимаюсь ею с успехом". Так никогда не мог бы высказаться Бор: он готов был утверждать, что проста природа, но не наука о ней! В студенческие годы ему нравился усложненно–замудренный университетский курс математики профессора Тиле, а в старости он объяснил историкам, почему нравился:
- Понимаете ли, это было интересно юноше, которому хотелось вгрызаться в суть вещей.
Но вот, пожалуй, этим–то они и сходствовали между собой.
Может быть, новозеландец, уже сполна доказавший, как глубоко он роет, с первого взгляда ощутил в датчанине ту же страсть - докапываться до глубин. И сразу доверился своему первому впечатлению. Это было в его духе. Так, девятью годами позже он угадал молодого Петра Капицу, приехавшего из революционной России стажироваться в послевоенном Кембридже, и тот на четырнадцать лет стал его любимым сотрудником–учеником.
Резерфорд очень скоро смог убедиться, что он не ошибся в своей - тогда еще молчаливой - оценке Бора. Появившийся в Манчестере на исходе марта 12–го года, датчанин уже к началу мая сделался в глазах Резерфорда знатоком планетарной модели.
Всех занимал вопрос о происхождении элeκтpичeсκи заряженных лучей радиоактивных элементов - альфа и бета. Резерфорд их открыл. Резерфорд дал им название. Резерфорд показал, что они рождаются при распаде неустойчивых атомов. Но допытываться подробностей - что и как происходит с атомами? - нельзя было, пока не существовало правдоподобной атомной модели. И вот появилась планетарная модель: ядро + электроны. Теперь надлежало ясно ответить: из каких частей атома приходят альфа–лучи и бета–лучи?
Не могло быть сомнений, что тяжелые положительно заряженные альфа–частицы вылетают из тяжелых положительно заряженных атомных ядер. А бета–частицы - откуда они? Являя собою обычные электроны, бета–лучи, казалось бы, приходили с периферии атомов - из электронного роя. Не из ядра же, где отрицательных зарядов быть не должно!
Однако самоочевидность такого ответа была обманчивой. Чем же отличался бы тогда радиоактивный бета–распад от привычной ионизации атомов, известной еще со времен Фарадея? Это он, Фарадей, назвал ионами ("странниками") такие атомы, которые переставали на время быть нейтральными. Они могли заряжаться положительно, теряя отрицательно заряженные частички. Столкновения, нагревание, химические реакции легко вызывали ионизацию атомов, а потом столь же легко восстанавливалась их нейтральность. Но радиоактивность тут была ни при чем.
Атом, испустивший бета–луч., навсегда превращался в атом другого химического элемента. И никакими воздействиями - ни адским нагреванием, ни дьявольским давлением, ни сильнейшими реактивами - ничего не удавалось изменить в ходе радиоактивного распада. Вот при ионизации электроны наверняка отрывались от электронного роя на периферии атомов. А откуда вылетали они с огромными скоростями при бета–распаде - это представлялось туманным. Но кроме ядра и электронного роя, в планетарной модели ничего третьего не было дано.
Удивительно ли, что в один из майских дней 12–го года молодой радиохимик из Венгрии Дьердь Хевеши - ровесник и приятель Бора - позволил себе задать Резерфорду элементарнейший вопрос: "Альфа–частицы приходят из ядра. Это несомненно. Но откуда приходят бетa–электроны?" Разумеется, Резерфорд не промедлил с ответом. Однако то, что услышал Хевеши, звучало неправдоподобно: автор планетарной модели отсылал его к другому авторитету! "Спросите Бора…" - коротко и кротко проговорил Резерфорд.
Когда через полвека состарившегося Хевеши расспрашивали об этом эпизоде физики–историки, они, знавшие нрав Резерфорда и тогдашнюю трудность проблемы, были поражены не меньше, чем в свое время сам венгр.
Хэйлброн: - Резерфорд действительно верил, что Бор это знал?
Хевеши: -О, да! Он никогда не сказал бы "спросите Бора", если бы не был уверен, что у того и в самом деле есть готовый ответ.
Да, Бор отвечал, что и бета–электроны приходят из атомного ядра! Теряя отрицательный электрон, ядро увеличивает свой положительный заряд на единицу, и можно предсказывать, что при бета–распаде должен рождаться атом химического элемента, соседствующего с прежним в таблице Менделеева. Уже тогда Бор, хоть и смутно, но представлял себе, что атомное ядро - сложная лаборатория, где могут возникать частицы, которые там вовсе не содержатся…
…В Манчестере почувствовали: у них появился теоретик, кажется, опережающий самого "Папу" - Резерфорда - в осмыслении атомных загадок.
А Бор уже приступал к решению труднейшей из этих загадок: почему устойчивы атомы, если они устроены, как Солнечная система? Если классические законы запрещают планетарному атому существовать, то какие же законы выручают атомы из беды? Почти пятьдесят лет спустя Нильс Бор сказал в лекции памяти Резерфорда:
"В раннюю пору моего пребывания в Манчестере, весной 1912 года, я пришел к убеждению, что строение электронного роя в резерфордовском атоме управляется квантом действия (постоянной Планка h)".
3
Вот что Бор почуял: в одной катастрофе повинна другая!
И еще: он не устрашился ни первой, ни второй, а уловил самую суть научных катастроф. Они прекрасны, потому что, разрушая, созидают. Сегодня можно сказать: они - как направленные взрывы, только бы верно понять их направленность.
Спасти планетарную модель - значило объяснить устойчивость атомных размеров. Или: устойчивость электронного роя в атоме.
Все с охотой или огорчением повторяли, что каждому электрону на периферии атома классические законы предуготовили одну судьбу - падение на ядро. Но никто не добавлял: может быть, эти законы теряют в атомном мире свою применимость? Поверив в экспериментальную доказанность планетарной модели, Бор отважился на эту простую и мятежную мысль.
Само существование природы было за него. Из атомных миров слагался большой зримый мир, доказывая своим бытием, что у атомов есть конечные устойчивые размеры. Надо было найти объяснение космически громадному и детски простенькому факту глобального масштаба, что у вещества Вселенной есть уже бог знает какая долгая история. И конца ее не предвидится - вещество мира вовсе не собирается сморщиться, сжаться, исчезнуть, точнее - превратиться в кашу из одних атомных ядер. И все это лишь по причине несговорчивости классических законов физики, которые ни в чем не виноваты, ибо не из атомного опыта природы были извлечены.
Законы классики вообще не давали никаких указаний на возможные размеры атомов: эти законы разрешали электронам, как планетам, вращаться на любых расстояниях от ядра, в том числе и на сколь угодно близких. Но очевидно, среди любых расстояний было наименьшее допустимое. Оно–то и должно было задавать устойчивый размер реального - необреченного - атома.
Помочь найти такой наименьший - разрешенный при родой - радиус электронного роя классическая механика не умела. Молодой Бор и не стал выпытывать у классических формул того, чего они сказать не могли. Весной 12–го года в Манчестере им овладело теоретическое предчувствие (если предчувствие может быть теоретическим), что должна обнаружиться глубокая связь между двумя "минимальностями" в природе:
- существованием минимальной величины для физического действия и
- существованием минимальных размеров для электронного роя в атомах.
Короче, Нильс Бор вступил на квантовый путь объяснения классически необъяснимого. Теперь в согласии с недавним пророчеством Лоренца ему надо было стать "мыслителем в уединенном уголке мира" и там "дойти до решения".
…Была жизнь затворника в летнем Манчестере. Были дни одиноких раздумий в зимнем Копенгагене. Наконец, уединение сам для себя создавал ищущий разум, даже когда вокруг клубился шум университетских коридоров.
Это заблуждение, будто шумы извне мешают больше всего остального сосредоточенно думать: от них не так уж трудно человеку отгородиться невниманием. Главная помеха сосредоточенности - шумы нашей внутренней жизни. Труднее трудного отделываться сознанию от того, что оно само порождает, как неумолчный фон своей активности… То, как умел уходить в себя, а вернее, уходить от себя Нильс Бор, поражало современников.
Однажды он выступал перед берлинскими физиками с рассказом о своих квантовых идеях. Его друг, известный геттингенский экспериментатор Джеймс Франк, вспомнил в интервью историкам, как Бор отыскивал ответы на трудные вопросы дотошных слушателей:
- …Порою он усаживался неподвижно с выражением совершеннейшего и безнадежного идиотизма на пустом лице. Глаза его становились бессмысленными, фигура обмякшей, безвольно повисали руки, и он делался до такой степени неузнаваемым, что вы не рискнули бы даже сказать, будто где–то уже встречали этого человека прежде. Впору было решить, что перед вами клинический недоумок, да еще без малейших признаков жизни. Но вдруг он весь озарялся изнутри. Вы видели, как вспыхивает в нем искра, и потом он произносил: "Так, теперь я это понимаю…"
То не было случайным наблюдением. Много лет спустя другой физик, Отто Фриш, стал свидетелем точно такой же сцены на коллоквиуме в Копенгагене. А еще позднее Эйнштейн писал о постоянной "загипнотизированности" Бора.
Но даже при таком сверхмастерстве сосредоточенности Бору понадобился почти год, чтобы на вопрос: "Отчего не исчезает вещественный мир, сотканный из планетарных атомов?" суметь однажды ответить: "Теперь я это понимаю…"
Мысль не сразу вышла на кратчайшую дорогу от идеи–догадки до стройной теории. А когда вышла, все было сделано меньше чем за месяц. Как часто бывает, Помог случай, который потому и случай, что ни запланировать, ни подстроить его нельзя.
Прошло уже полгода, как Бор вернулся из Англии на родину. Как–то в начале февраля 13–го года он рассказывал о муках своих квантовых исканий бывшему однокашнику по университету Хансу Хансену, ставшему спектроскопистом. Он уверял былого приятеля, что близок к объяснению "свойств материи, зависящих от системы электронов в атоме". И перечислил важнейшие из таких свойств - устойчивость вещества, химическое поведение, магнетизм…
- А спектры? - с надеждой спросил Хансен. - Как твоя теория объясняет спектральные формулы?
- Спектральные формулы?!
Даже через пятьдесят лет Бор живо помнил и вопрос Хансена и свое недоумение. Рассказывая о том разговоре историкам, он с улыбкой честно признался: "Я ничего не знал ни о каких спектральных формулах"!
Хансен мог только развести руками:
- Тебе необходимо посмотреть эти формулы. Ты увидишь, с какой замечательной простотой они описывают спектры.
- Я посмотрю… - смущенно пообещал приятелю Бор, не подозревая, что в будущем ему придется рассказывать о случившемся как о поворотном событии в истории познания природы.
В тот же день он разыскал в литературе давно известную всем теоретикам (всем, кроме него!) коротенькую формулу Бальмера для водородного спектра. И только взглянув на нее, сразу осознал: вот оно - то, что дает естественное объяснение устойчивости планетарного атома!
Ученик, ассистент и младший друг Бора, бельгийский физик–теоретик Леон Розенфельд удостоверил:
"Он говорил мне не раз: - Как только я увидел формулу Бальмера, все немедленно прояснилось передо мной!"
4
У Бориса Пастернака есть строки: "Однажды Гегель ненароком и, вероятно, наугад назвал историка пророком, предсказывающим назад". Историкам показалось сначала трудно объяснимым, почему Бору самому не пришло в голову обратить внимание на атомные спектры?
Да и вправду… Он ведь сразу, еще весной 12–го года, набрел на идею, что структура системы электронов в атомах управляется квантом действия. А раз так, то немедленно должна была явиться мысль о квантах излучения. А если о квантах излучения, то значит и о спектрах…
Столь проста эта схема размышлений, что она, конечно, искушала Бора. "Ничего не зная ни о каких спект ральных формулах", он тем не'менее отлично знал, что атомы разных элементов испускают разные наборы спектральных линий - разные наборы цветных сигналов. Школьным было сравнение: спектры - это визитные карточки атомов. И он понимал, что каким–то образом устройство атомов в них отражается. Но ему думалось, что прямой связи с проблемой устойчивости тут нет. Он очень поэтично объяснил историкам, что его останавливало:
- Спектры воспринимались так же, как прекрасные узоры на крыльях бабочек: их красотою можно было восхищаться, но никто не думал, что регулярность в их окраске способна навести на след фундаментальных биологических законов.