Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Наварро Хайме

ПРИЧИННОСТЬ И ДЕТЕРМИНИЗМ

Одна из самых важных дискуссий, которые вели Эйнштейн и Бор, с тех пор повторившаяся бесчисленное количество раз, касалась причинности в интерпретации квантовой механики. Противники копенгагенской интерпретации утверждали, будто Бор уничтожил основополагающий столп науки — принцип причинности. Однако это обвинение происходило от распространенной путаницы между детерминизмом и причинностью. Принцип причинности гласит: «Все, что происходит, происходит по какой-то причине». В традиционной со времен Ньютона интерпретации этот принцип внешне означает как будто то же самое: «Одна причина всегда порождает одно и то же явление». Однако вторая формулировка справедлива только для одного типа причинности —

детерминированной. Но не любая причинность обязательно детерминированная. Если, например, засеять поле пшеницей, какие-то из зерен взойдут, а какие-то — нет. Априори все зерна должны взойти, поскольку тип почвы один и тот же и среда одна и та же. Но этого не происходит. Зерна не прорастают, потому что без почвы, без воды, без солнечного света не взойдет ни одно семя. Все прорастающие зерна способны на это ввиду благоприятных условий, но эти условия не гарантируют, что взойдут все из них. Нечто подобное происходит в квантовой механике. Когда происходит какое-то явление, например радиоактивный распад, оно всегда обязано присутствию благоприятных условий. Но не всякий раз, когда эти условия присутствуют, можно утверждать, что распад произойдет. При этом отрицается не принцип причинности, а лишь возможность точно предсказать все, что случится. 

После неудачных попыток разбить теорию Гейзенберга и Бора Эйнштейну ничего не оставалось, кроме как принять ее, но не их интерпретацию квантовой механики. Эйнштейн верил, что со временем физика сформулирует более полную теорию, которая позволит отказаться от копенгагенской интерпретации и прийти к абсолютному и точному знанию об «объективной реальности».

Через несколько месяцев после окончания Сольвеевского конгресса 1927 года Эйнштейн выразил свое разочарование ироничными словами: 

«Философия успокоения Гейзенберга — Бора (или религия?) так тонко придумана, что представляет верующему до поры до времени мягкую подушку, с которой не так легко его спугнуть. Пусть спит». 

Эйнштейн был уверен, что рано или поздно квантовая система в том виде, как ее понимали Бор, Гейзенберг и Паули, рухнет. Но этот момент не наступил: Бор и сегодня все еще остается победителем в данной полемике.

НОВОЕ НАСЕЛЕНИЕ АТОМА

К 1930 году квантовая механика сформировала свои принципы, но оставалось применить их и проверить справедливость для возрастающего числа явлений, неизвестных до тех пор. У модели атома Бора была несколько суетливая жизнь с момента ее рождения, но основные черты оставались неизменными: положительное атомное ядро с электронами вокруг. Имелись два тесно взаимосвязанных вопроса: из чего состоит ядро и откуда берутся электроны, составляющие ^-радиоактивность?

Эксперименты Резерфорда 1911 года показали, что атом неоднороден: почти вся масса сосредоточена в центральной части, в ядре, вокруг которого по орбитам вращаются электроны. Постепенно формировавшаяся гипотеза сводилась к тому, что масса ядер различных атомов кратна массе ядра водорода, Н\ в связи с чем допускалось, что все ядра состоят из этого типа частиц, которые назвали «протонами».

Слово «протон» в начале XIX века ввел английский химик Уильям Праут (1786-1850), который заметил, что некоторые известные в его время атомные массы приблизительно кратны массе водорода. Термин Праута происходит от греческого понятия proto hyle — исходный, или первичный, материал. Эта гипотеза постепенно истаяла с повышением точности измерения атомной массы и с открытием новых элементов. Когда Резерфорд возродил эту гипотезу, пусть только в отношении атомного ядра, он решил использовать то же самое слово.

В результате своих исследований радиоактивности Резерфорд получил окончательное подтверждение существования Н* — протонов — во всех атомных ядрах. В 1919 году, изучая эффект столкновения а-частиц с атомами азота, он увидел, что последние испускают протоны. Когда Резерфорд удостоверился, что это не результат существования примесей водорода в экспериментальной установке, он сделал вывод: наблюдаемые протоны происходят из ядра азота. Это стало первым прямым доказательством существования протонов в атомах, не являющихся атомами водорода.

Итак, в 1920 году были известны две элементарные частицы: электроны и протоны. Также было известно, что р-излучение состоит из электронов, но что это, говоря словами Марии Кюри, «глубинные электроны». Электроны радиоактивности не располагались вокруг ядра, их энергия была намного больше, чем энергия спектральных атомных линий, так что их включали (наряду с протонами) в число ядерных компонентов. Таким образом, как показано на рисунке 2, в начале 1920-х годов атом представлял собой следующее. Ядро, состоящее из протонов и электронов, и оболочка, сформированная только электронами, распределяющимися по уровням энергии, согласно законам квантовой физики.

РИС. 2

Как распределялись протоны и «глубинные» электроны внутри ядра? Следует учитывать, что число протонов должно в два раза превышать число ядерных электронов, поскольку общий электрический заряд ядра равен общему электронному заряду оболочки, и таким образом атому удается оставаться электрически нейтральным. Законы электричества не объясняли, как протоны и электроны могут находиться в ядре в стабильном виде так, чтобы взаимные отталкивания не заставляли ядро распасться.

Одна из самых жизнеспособных догадок побуждала обратить внимание на а-радиоактивность. Она соответствовала ядрам гелия, которые (следуя модели протонов и электронов) должны были состоять из четырех протонов и двух электронов. Не вызывало сомнений, что эта структура особенно стабильна как внутри, так и снаружи ядра, и могло сложиться представление для лучшего понимания структуры и стабильности ядер, а также и явления радиоактивности.

Дело в том, что спустя более чем два десятилетия изучения радиоактивности, то есть типов излучений, их энергий и проникающей способности, их дисперсий с другими излучениями и прочими телами и так далее, теоретическое развитие практически оставалось на месте. Было очевидно, что понимание радиоактивности атомного ядра — это две стороны одной медали. Понимание пришло с развитием квантовой механики.

Снова блестящий рисковый молодой ученый, начало карьеры которого так же было связано с влиянием Бора, дал импульс этому развитию. Этим человеком был Георгий Гамов (1904-1968). Он родился в Одессе, изучал физику в Петрограде, где познакомился с другими подающими надежды студентами, Львом Ландау (1908-1968) и Дмитрием Иваненко (1904-1994). Вместе они создали группу «трех мушкетеров», чтобы обсуждать последние достижения квантовой физики.

Летом 1928 года, закончив докторантуру в Геттингене, Гамов развернул исследование, объяснявшее а-радиоактивность на основе постулатов квантовой механики. Вернувшись в Россию, Гамов решил поехать в Копенгаген, чтобы познакомиться с Нильсом Бором и показать ему свои расчеты. Он предстал перед Бором без предупреждения и без денег, он не планировал оставаться в городе, так как его визит должен был ограничиться несколькими часами. Но молодой ученый произвел такое впечатление на Бора, что эти несколько часов превратились в два года: 1928-1929 и 1930-1931 учебные годы.

Это стало началом обращения Бора к проблемам зарождающейся ядерной физики, которая принесла много неожиданностей в 1930-е годы, а кроме того, вновь тесно связала его со старым другом Резерфордом и экспериментальными результатами Кавендишской лаборатории.

ПАУЛИ ПРЕДЛАГАЕТ НОВУЮ ЧАСТИЦУ. НЕЙТРИНО

Возможно, самой заметной головоломкой 1920-х годов была энергия р-лучей (электронов), происходящих из радиоактивных источников. Два города, Берлин и Кембридж, и два человека, Лиза Мейтнер (1878-1968) и Чарльз Драммонд Эллис (1895-1980), были действующими лицами плодотворного научного спора, который привел к нынешнему пониманию ядра. Спор велся вокруг p-спектра радиоактивных материалов, то есть вокруг распределения энергии электронов, испускаемых радиоактивными веществами.