Атомный эпос
Жил да был в Копенгагене богослов и литератор Пауль Мартин Мёллер. Человек он был сугубо книжный, очень много читал, преподавал в университете философию, переводил «Одиссею», а главное, непрерывно что-нибудь сочинял — то стихи, то прозу. Его самое известное произведение, «Приключения датского студента», — по форме небольшая легкомысленная повесть из современной (на тот момент) жизни. Но...
«Я начинаю думать о своих собственных мыслях относительно ситуации, в которой я нахожусь, — говорит герой Мёллера, тот самый датский студент. — Я даже думаю, что думаю о ней, и разбиваю себя на бесконечную обращенную назад последовательность „я“, которые размышляют друг о друге. Я не знаю, на каком из „я“ остановиться, какое из них считать подлинным, потому что, как только я останавливаюсь на одном из них, всегда есть еще одно „я“, которое на нем останавливается. Я запутываюсь, у меня кружится голова, как будто я заглядываю в бездонную пропасть».
Бесконечная последовательность порождающих друг друга субличностей — любопытно, не правда ли? Более того, между субличностями могут разыгрываться драматические отношения:
«Таким образом, человек часто разделяется на две личности, одна из которых пытается обмануть другую, в то время как третья личность, которая на самом деле тождественна первым двум, поражается этой неразберихе. Коротко говоря, мышление становится драмой и беззвучно разыгрывает само с собой и перед самим собой запутаннейшие интриги, причем зритель снова и снова становится актером».
А вот и еще одно место из книги Мёллера, которое любил обсуждать в своих лекциях Мераб Мамардашвили:
«Несомненно, мне и раньше доводилось видеть, как излагаются мысли на бумаге. Но с тех пор как я явственно осознал противоречие, заключенное в подобном действии, я почувствовал, что полностью потерял способность написать хоть какую-нибудь фразу. И хотя опыт подсказывает мне, что так поступали множество раз, я мучаюсь, пытаясь разрешить неразрешимую загадку: как человек может думать, говорить или писать. Пойми, друг мой, движение предполагает направление. Разум не может развиваться, не продвигаясь вдоль определенной линии. Но прежде чем начать движение вдоль этой линии, разум должен осмыслить это движение. Другими словами, человек продумывает любую мысль прежде, чем начнет думать. И любая мысль, кажущаяся плодом данного момента, содержит в себе вечность. Это сводит меня с ума».
Попробуйте вдуматься в эти рассуждения. Только осторожно: от них и у современного читателя, объевшегося экзистенциализмом и постмодернизмом, может, что называется, сорвать крышу. А написано это было почти 200 лет назад, в 1824 году.
Одного из студентов, слушавших лекции Мёллера в университете, звали Сёрен Кьеркегор. С Мёллером они общались много и, надо полагать, продуктивно. Кьеркегор стал одним из величайших философов XIX века, основателем экзистенциализма, который, таким образом, упомянут здесь не случайно. Именно деятельность Мёллера и послужила одним из толчков, вызвавших к жизни это направление философии.
Кьеркегор умер относительно молодым человеком: ему было всего 42 года. Одним из первых его последователей стал Харальд Гёффдинг. В момент смерти Кьеркегора Гёффдингу было 12 лет, но он «был уже достаточно большим, чтобы услышать о мрачной процессии за стенами города, чуть не закончившейся скандалом у самой могилы». Гёффдинг всю жизнь изучал работы Кьеркегора. Впрочем, он и сам стал крупным, оригинальным философом, во многом оттолкнувшимся от идей своего заочного учителя, как сам Кьеркегор оттолкнулся от Гегеля (если кому интересно, многие работы Гёффдинга были в начале XX века переведены на русский язык).
Гёффдинг интересовался не только чистой философией, но и естественными науками — а они, как известно, развивались во второй половине XIX века стремительно, оказывая огромное влияние на жизнь людей и их взгляды. Однажды он познакомился с ученым Кристианом Бором, который был крупным физиологом (биологи хорошо знают открытый им эффект Бора) и, со своей стороны, интересовался проблемами философии. Гёффдинг и Бор с коллегами организовали междисциплинарный кружок, который стал регулярно собираться для обсуждения актуальных философских вопросов сначала в кафе, а потом в домах у участников.
Вот в этой-то густо замешанной интеллектуальной среде и вырос сын Кристиана Бора — Нильс. Детство он провел, слушая беседы ученых и философов. «С самой ранней юности я мог высказываться по философским вопросам», — с гордостью говорил он о себе. Постоянное общение с отцом и с Харальдом Гёффдингом дало Нильсу навыки серьезного мышления, удачно наложившись на его огромные природные способности. Философия вошла в его плоть и кровь. Он многому научился у Гёффдинга, зачитывался Кьеркегором, а повесть Мёллера «Приключения датского студента» вообще стала любимой книгой всей его жизни. Спустя десятилетия, уже будучи всемирно известным ученым, Нильс Бор непременно давал эту книгу своим ученикам, как только они начинали хоть немного читать по-датски. Это стало чем-то вроде ритуала посвящения.
Семейство Боров у входа в их копенгагенский дом. Слева — Кристиан Бор, на заднем плане — его жена Эллен Бор. Между ними стоит маленький Харальд Бор, в будущем известный математик. Девочка, сидящая справа, — Дженни Бор, а позади нее стоит Нильс Бор. На этой фотографии, сделанной в 1890 году, ему четыре года. Фото с сайта nbi.ku.dk
Юный Нильс Бор сначала хотел стать математиком — его привлекала стихия чистой мысли. Он хотел освоить одну из наиболее философских областей математики, а именно неевклидову геометрию. Но в итоге он выбрал все же физику, науку экспериментальную. Тут немалую роль сыграла лаборатория Кристиана Бора, которая подходила как для физиологических, так и для некоторых физических опытов. Именно в отцовской лаборатории Нильс Бор сделал свою первую научную работу — он исследовал поверхностное натяжение. А в 1911 году, когда Нильсу Бору было 25 лет, Эрнест Резерфорд опубликовал статью, сообщавшую об открытии атомного ядра (E. Rutherford, 1911. The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom). В физике начиналась новая эпоха.
Так уж случилось, что именно в 1911 году Бор поехал на стажировку в Англию и там вскоре познакомился с Резерфордом. Они сразу понравились друг другу, несмотря на то, что к тому моменту уже определилась специализация Бора как физика-теоретика, а Резерфорд, прирожденный экспериментатор, теоретиков терпеть не мог. Когда Резерфорду попытались на это указать, он рявкнул: «Бор не такой. Он же футболист!» Действительно, Бор играл в футбольной команде, и спортивным англичанам это нравилось. Но еще больше им нравилось то, что Бор, судя по всему, мог лучше кого бы то ни было разобраться в структуре атома.
К тому времени было известно, что в атоме есть чрезвычайно маленькое и плотное положительно заряженное ядро, окруженное гораздо более разреженным отрицательным зарядом. Этот отрицательный заряд занимает почти всё пространство атома и должен быть в нем более-менее равномерно распределен. Но было также известно, что отрицательный заряд всегда состоит из частиц — электронов. Значит, электроны должны как-то располагаться вокруг ядра. Но как?
Напрашивалась идея, что электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца или как кольца Сатурна — вокруг планеты Сатурн. Последнее сравнение предложил японский физик Хантаро Нагаока, математически разработавший так называемую сатурнианскую модель атома. Причем сделал он это за несколько лет до того, как атомное ядро было экспериментально открыто (H. Nagaoka, 1904. Kinetics of a system of particles illustrating the line and the band spectrum and the phenomena of radioactivity).
Сатурнианская модель атома, которую предложил Хантаро Нагаока в самом начале XX века. Нагаока, конечно, понимал, что электроны, расположенные на одном и том же расстоянии от ядра, будут отталкиваться друг от друга. Но он считал, что быстрое вращение электронного «кольца» может его стабилизировать. Других физиков, однако, это не убедило, и сам Нагаока, похоже, со временем передумал. Во всяком случае, когда в 1910 году он встретился с Резерфордом, то даже не стал обсуждать с ним эту свою модель, несмотря на то, что как раз к тому моменту она получила частичное подтверждение: атомное ядро, существование которого предсказывал Нагаока, было найдено. Источник иллюстрации: K. Hentschel, 2009. Atomic Models, Nagaoka's Saturnian Model. In: Greenberger D., Hentschel K., Weinert F. (eds) Compendium of Quantum Physics
Однако модель Нагаоки была сразу раскритикована другими физиками. Почему? Кольца Сатурна устойчивы благодаря тому, что составляющие их обломочные частицы под действием гравитации притягиваются друг к другу. Напротив, оболочка атома должна состоять из электронов, которые, имея одинаковые отрицательные заряды, по закону Кулона отталкиваются друг от друга. Такая система долго не протянет. Рано или поздно (и скорее рано, чем поздно) электроны упадут на ядро, и атом разрушится.
Планетарная модель атома, которую предложил сам Резерфорд, обладала теми же недостатками, что и модель Нагаоки. «Если в атоме действуют механические законы классической физики, те Ньютоновы законы, которые управляют отношениями тел в планетарных системах, то модель Резерфорда работать не может». Но как тогда вообще существуют атомы? Решить эту проблему, просто сопоставляя известные факты с известными закономерностями, было невозможно. Здесь требовался некий «прыжок мысли», в чем-то подобный описанному тем же Кьеркегором «прыжку веры».
Философия Кьеркегора сильно повлияла на Нильса Бора. Важнейший для этого философа образ «бездонной пропасти» был ему очень близок. «В реальном мире решение всегда возникает из нарушения непрерывности», — писал в одной из своих книг Харальд Гёффдинг, и эти слова Нильс Бор тоже наверняка помнил. И вот сейчас, в 1912 году, перед ним открылась настоящая бездонная пропасть, которую можно было только перепрыгнуть.
«Следует предположить, что в природе существуют силы, совершенно отличные от обычных механических», — решил Бор. Он обратился к работам немецкого физика Макса Планка, который показал, что излучение может выделяться и поглощаться только дискретными порциями — квантами. Бор предположил, что электронные оболочки атома тоже имеют квантовую структуру: в атоме существуют стационарные орбиты, на которых электроны могут находиться без нарушений устойчивости. На тот момент эта модель была совершенно произвольной. Гипотеза о стационарных орбитах ниоткуда не вытекала: она просто могла оказаться либо верной, либо нет. Бор сильно рисковал.
В поисках возможности проверить свою модель Бор обратился к области физики, исследующей спектры. Спектр получается, когда поток света, испускаемый веществом, удается разложить на полоски разных цветов. Они называются спектральными линиями. Еще в 1885 году (том самом году, когда родился Бор) швейцарский физик Иоганн Бальмер сумел подобрать формулу для вычисления длин волн спектральных линий водорода. Затем шведский физик Йоханнес Ридберг вывел более общую формулу, справедливую для множества разных спектров. Однако формулы Бальмера и Ридберга были, как принято в таких случаях выражаться, чисто эмпирическими. Они действовали, но почему — не знал никто.
«Как только я увидел формулу Бальмера, мне всё немедленно стало ясно», — вспоминал потом Бор. Когда в атом попадает квант света, электрон перескакивает с основной орбиты на более высокую. Если оставить атом в покое, электрон рано или поздно «сваливается» обратно с высокой орбиты на основную. Атом при этом испускает новый квант света. Так и формируется спектр. Энергия каждого кванта света равна разнице энергий орбит, между которыми переместился электрон. Ее величину можно рассчитать. Произведя эти расчеты для атома водорода, Бор сумел вывести из них не что иное, как давно известные физикам формулы Бальмера и Ридберга. Вычисленные Бором значения констант, которые входят в эти формулы, совпали со значениями, измеренными в опытах, с погрешностью всего в несколько процентов. Боровская квантовая модель атома была подтверждена настолько надежно, насколько вообще возможно. Так осуществился один из самых поразительных прорывов в истории наук о природе.
Атом Бора в простейшем виде. Ядро атома имеет положительный заряд +Ze, где Z — атомный номер, e — заряд электрона. Вокруг ядра расположены открытые Бором стационарные орбиты, n — их номера. Электрон может находиться на любой из орбит. Чем больше номер орбиты, тем выше энергия электрона. В данном случае показано, что электрон «соскочил» с 3-й орбиты на 2-ю. Его энергия при этом снизилась, а избыток энергии (ΔE) ушел в мировое пространство в виде кванта электромагнитного излучения (hν, где h — постоянная Планка, ν — частота излучения, то есть, попросту говоря, цвет). Рисунок из Википедии
Начало жизни Бора было похоже на рай для творческой натуры. Он родился в мирной стране, в семье профессора, в доме, находившемся прямо напротив дворца, в котором заседал парламент. Он путешествовал, учился у лучших ученых своего времени, которые относились к нему прекрасно. И самого его быстро признали как выдающегося ученого. В 1921 году для него построили целый Институт теоретической физики, в 1922 году он получил Нобелевскую премию и стал датским национальным героем. Продолжив работу, он стал одним из основателей ядерной физики. Дальнейшие годы, однако, приносили все больше проблем и тревог.
В октябре 1941 года Вернер Гейзенберг, знаменитый немецкий физик, младший друг и ученик Бора, побывал у Бора в оккупированном немцами Копенгагене. Гейзенберг вел беседу многословно и туманно — он пытался выяснить отношение Бора к урановой проблеме, ничего ему по существу не сообщая; но все-таки он проговорился. Слова Гейзенберга, что для создания атомной бомбы потребуются «гигантские технические усилия», поразили Бора. Если немецкие физики говорят о создании атомной бомбы как о технической проблеме, значит, они уверены, что атомную бомбу можно сделать. Ничто другое из сказанного Гейзенбергом его уже не интересовало.
Между тем жить в оккупированной Дании становилось все опаснее. В 1943 году Бор бежал оттуда — сначала на моторной лодке в Швецию, а потом в Британию на двухмоторном бомбардировщике «москито». Находясь в Швеции, он пробился на прием к шведскому королю и убедил его официально объявить о готовности Швеции принять датских евреев, которым к тому моменту грозила гибель. Теперь датские евреи точно знали, куда бежать, а шведские пограничники им помогали. Это решение спасло несколько тысяч людей.
...Вся эта информация извлечена из книги Ричарда Роудса «Создание атомной бомбы». И это — лишь крайне малая часть того, о чем там рассказано. Даже про одного только Бора и его открытия оттуда можно узнать намного больше, чем вошло в наш краткий конспект. Но свет клином не сошелся на Боре: знакомство с Эрнестом Резерфордом, Лео Сцилардом, Энрико Ферми, Отто Ганом, Лизой Мейтнер, Робертом Оппенгеймером и многими другими учеными обещает быть для читателя ничуть не менее познавательным. Книга эта вообще очень «населенная». В ней больше тысячи страниц, так что можно представить, сколько там материала. Но отобран этот материал очень тщательно. Роудс нигде не сваливается в нудное перечисление фактов — его рассказ от начала до конца предельно сюжетен. В нем нет ничего лишнего. Судьбы множества людей, удивительные открытия и трагические повороты истории умело сплетены автором в плотную повествовательную ткань. При этом научной «фактуре» уделяется не меньше внимания, чем рассказам о людях. Одним словом, книга отлично сбалансирована. Примерно так, вероятно, и должна выглядеть хорошо написанная популярная история науки.
Такие масштабные труды редко обходятся без авторских или переводческих «блох». В данном случае эти «блохи» скорее микроскопические. Автор, кажется, слегка ошибся в возрасте Нильса Бора, написав, что тому весной 1912 года было 27 лет (на самом деле — 26, ибо родился он в октябре 1885-го). Японский летчик Мицуо Футида, командовавший первой волной самолетов в знаменитой атаке на Перл-Харбор, был капитаном 2-го ранга, а не 3-го ранга, как сказано в книге (на тот момент он имел звание тюса, что соответствует флотскому капитану 2-го ранга или армейскому подполковнику). Французского биолога Жака Моно в русском тексте, в отличие от английского, неведомо почему назвали Жаном (скорее всего это просто опечатка, но она неудачно оказалась уже на второй странице первой главы). Философский тезис, ставший заглавием одного из трактатов Кьеркегора, переведен словами «либо-либо», хотя в русских переводах Кьеркегора принят вариант «или-или». Но, в общем, всё это мелочи. Получать удовольствие от чтения они не мешают.
Остается заметить, что «Создание атомной бомбы» — самая известная, но вовсе не единственная книга Ричарда Роудса. Книг он написал много, на разные темы — посмотрите статью о нем в англоязычной Википедии. Есть книга «Тёмное солнце», которая служит продолжением «Создания атомной бомбы» и рассказывает о создании водородной бомбы. Но он писал и о других вещах; одна из его последних книг, например, рассказывает о гражданской войне в Испании и ее роли в мировой истории. Интересный автор. Было бы неплохо продолжить с ним знакомство.
Датский философ Харальд Гёффдинг и его книга «История новой философии». Сейчас Гёффдинг малоизвестен, но лет сто назад он был довольно популярен, в том числе и в России: не меньше пяти его книг вышло тогда по-русски. Изображения с сайтов omnia.ie и archive.org