Это история величайшего научного открытия всех времён.
Открытия, что всё состоит из атомов.
Разнообразие и богатство всего, что мы видим вокруг себя в мире и за его пределами,
его формирование, его взаимодействие -
всё это объясняется атомами
и таинственными законами, которым они подчиняются.
Проникнув в глубину атома, в самое сердце материи,
учёные разгадали самые поразительные секреты природы.
Им пришлось отказаться от всего, во что они верили,
и создать совершенно новую науку.
Науку, которая сегодня служит фундаментом для физики, химии, биологии,
и, может быть, даже и для самой жизни.
Но для меня история того, как человечество раскрыло тайну атома,
является одновременно и воодушевляющей, и замечательной.
Это повесть о величайших гениях.
О мужчинах и женщинах, которых вела за собой жажда знаний и славы.
Это история неудачных начинаний и конфликтов, амбиций и откровений.
История, ведущая нас через самые волнующие и пьянящие идеи,
когда-либо высказанные человеческой расой.
И для меня, физика по роду занятий,
эта история - важнее всего на свете.
BBC: Atom / Атом e1 The Clash of the Titans/Битва титанов русские субтитры TrueTransLate.tv
5 октября 1906 года,
в гостиничном номере, недалеко от Триеста,
повесился австрийский учёный Людвиг Больцман.
У Больцмана были давние психологические проблемы,
и одной из главных причин его депрессии
стало то, что он был очернён и даже подвергался гонениям
за веру в то, что сегодня считается само собой разумеющимся.
Он верил, что материя не может делиться бесконечно - на всё более мелкие части.
Вместо этого он утверждал, что в конечном счете всё состоит из простейших строительных блоков -
атомов.
Сейчас кажется невероятным, что открытие Больцмана вызвало столько споров.
Но 100 лет назад,
отстаивание идеи о существовании атомов считалось пустой тратой времени.
Хотя ещё древнегреческие философы
предполагали, что вселенная может состоять из различного рода элементарных единиц материи,
они полагали, что эти частицы слишком малы, чтобы их увидеть
даже в самые мощные микроскопы.
Вот почему подобные размышления были абсолютно пустой тратой времени.
Но затем, в середине 19-го века,
вопрос о реальности существования атомов
неожиданно стал важным и злободневным.
Причиной стал...
...пар.
С середины 19 века он начал менять мир.
Он питал энергией мощные двигатели,
поезда, корабли и фабрики эпохи Промышленной революции.
Поэтому придумать, как использовать его ещё эффективнее,
стало делом коммерческой, политической и военной значимости.
Совсем неудивительно,
что это стало ключевым вопросом науки 19-го века.
Спрос на строительство более мощных и эффективных паровых двигателей
создал, в свою очередь, срочную потребность
в понимании и предсказании поведения воды и пара
при высоких температурах и давлениях.
Людвиг Больцман и его научные соратники
показали, что если представить пар в виде миллионов мельчайших твёрдых шариков,
атомов,
то можно составить несколько серьёзных математических уравнений.
И эти уравнения способны предсказывать поведение пара
с удивительной точностью
Но эти же уравнения ввергли Больцмана и его коллег-атомистов в полемику.
Их противники доказывали, что поскольку атомы, на которые ссылались эти уравнения, увидеть невозможно,
то они - всего лишь математическая условность,
а не реальные физические объекты.
Заявлять, что эти воображаемые объекты реально существуют, казалось самонадеянным,
даже кощунственным.
Критики Больцмана утверждали, что это богохульство -
низводить Чудесное Творение Господа
до серии столкновений между мельчайшими неодушевлёнными шарами.
Больцмана осудили как неверующего материалиста.
По горькой иронии судьбы,
наложив на себя руки в 1906 году,
Больцман так и не узнал, что был реабилитирован.
Видите ли, за год до его смерти
один молодой учёный опубликовал статью,
которая неоспоримо, неопровержимо провозглашала существование атома.
Наверняка вы слышали об этом молодом учёном.
Его звали Альберт Эйнштейн.
В 1905 году, за год до того, как Больцман покончил с собой,
Альберту Эйнштейну было 26 лет.
Его наглое высокомерие выводило из себя большинство его профессоров и преподавателей,
и его неохотно брали на работу.
Затем забеременела его подруга.
За чем последовало поспешное бракосочетание.
Он нуждался в работе. В любой. Почти не проявив себя в университете,
он устроился на работу клерком в патентное бюро здесь, в Берне, в Швейцарии.
Он переехал в эту однокомнатную квартиру на Крамгессе
со своей молодой женой Милевой.
Несмотря на страшно стеснённые личные обстоятельства,
молодой Эйнштейн пылал амбициями.
Он отчаянно мечтал оставить свой след в истории физики.
И в 1905, за один удивительный год,
он-таки оставил просто потрясающий след.
Работа не отнимала у молодого Энштейна много времени, его оставалось достаточно,
и на работе, и здесь, в этой крошечной квартире,
чтобы размышлять над глобальными проблемами.
В течение всего лишь нескольких месяцев он смог опубликовать несколько работ,
которые навсегда изменили науку.
Сегодня все слышали о его Теории Относительности,
даже если и не все её понимают.
Его исследования природы света через несколько лет привели к присуждению ему Нобелевской премии.
Но, по иронии судьбы, не эти две статьи
оказали наибольшее влияние на факт открытия атомов.
А та, что повлияла,
была короткой статьёй о крохотных частичках пыльцы, танцующих в воде.
Почти на 80 лет раньше, в 1827 году,
шотландский ботаник Роберт Броун
впрыснул частички пыльцы в небольшое количество воды
и наблюдал за ними в микроскоп.
То, что он увидел, было на редкость странным.
Вместо спокойного плавания в воде, зёрнышки пыльцы
бешено крутились,
как живые.
Несмотря на то, что это так называемое "броуновское движение" выглядело странным,
учёные забыли о нём довольно скоро.
Они нашли это мирским, даже скучным. Кого волнует кружащаяся в воде пыльца?
Что вообще общего между кружением пыльцы и атомами?
На протяжении почти 80 лет открытие Броуна оставалось малоизвестной научной аномалией.
А потом Эйнштейн всё изменил.
С потрясающей проницательностью
Эйнштейн увидел, что Броуновское движение связано с атомами.
Он понял, что покачивание пыльцы в воде
может навсегда положить конец бурным спорам о реальности атомов.
Его аргумент был прост.
Пыльца будет покачиваться только при условии, что её что-то толкает.
Таким образом, Эйнштейн заявил, что вода должна состоять из мельчайших, похожих на атомы частичек,
которые, толкаясь сами,
непрерывно трясут и пыльцу.
Если бы атомов не было,
пыльца должна была бы оставаться неподвижной.
Так что Больцман и его современники
гневно ссорились по этому вопросу совершенно напрасно.
Ответ всё это время был рядом.
Эйнштейн доказал, что для того, чтобы происходило "Броуновское движение",
должны существовать атомы.
Статья Эйнштейна выходила далеко за рамки простых словесных аргументов.
На основании безупречных математических расчётов
он доказал, что танец пыльцы
выявляет размер атома.
И он умопомрачительно мал.
Одна десяти-миллионная миллиметра в диаметре!
Человеческий волос сам по себе - одна из тончайших вещей, видимых невооружённому глазу.
И он шире атома более, чем в миллион раз.
Позвольте мне представить это по-другому.
В одном стакане воды больше атомов,
чем стаканов воды во всех океанах мира!
От одной мысли об этом голова идёт кругом.
Статья Эйнштейна положила конец дебатам
о реальности существования атомов.
А Больцман полностью это доказал.
Атом должен быть реальным.
В начале 20-го века
атом был признан.
Учёные, утверждавшие, что атом реален, больше не были еретиками.
При резком, внезапном изменении в сознании учёного общества
они стали новыми апологетами знания.
Но им пришлось заплатить огромную цену за свой успех.
Они ещё не успели поздравить друг друга с открытием атома,
как оно уже вырвало у них почву из-под ног
и отправило их кружиться по спирали в причудливый и временами ужасающий новый мир.
И началось всё это здесь,
в месте, ставшем к 1910 году центром физики атомов, -
в Манчестере.
Два самых выдающихся в истории науки человека
работали здесь, на физическом факультете Манчестерского университета между 1911-м и 1916-м годами.
Это были Эрнест Резерфорд и Нильс Бор,
на первый взгляд, два совершенно неподходящих характера
для по-настоящему плодотворного сотрудничества.
Резерфорд был родом из удаленного уголка Новой Зеландии
и вырос на ферме.
Борн родился в Копенгагене,
финансово обеспеченный, эрудированный человек, фактически аристократ.
Резерфорд был убеждённым экспериментатором.
Он обожал технику
и хитроумные комбинации аккумуляторов, катушек, магнитов и кусков радиоактивных пород.
А ещё он обладал потрясающей интуицией.
В противоположность ему, Бор был чистым теоретиком.
Для него суть науки сводилась к глубоким размышлениям и абстрактной математике.
Ручка и бумага, мел и доска были его инструментами.
Логика была его путем к истине.
И хотя их подходы к работе были совершенно разными,
одно у них было общим.
Они были готовы отказаться от трёхсотлетних условностей в науке,
если те не соответствовали их представлениям об истине.
Они были настоящими революционерами.
Резерфорд и Бор - одни из самых выдающихся умов, когда-либо порождённых человечеством.
Но от них потребовалась вся твердость, настойчивость
и вдохновенная проницательность,
чтобы постигнуть мир атома.
В 1907 году Эрнест Резерфорд возглавил кафедру физики в Манчестере.
Это было время судьбоносных перемен в науке.
Всего десятью годами ранее в Германии
была проведена первая демонстрация загадочных лучей, которые проникают через плоть
и делают видимыми кости.
Эти лучи были настолько необъяснимыми,
что ученые даже не знали, как их назвать.
Поэтому их назвали Х-лучами.
Пару лет спустя, в Кембридже
было продемонстрировано, что мощные электрические токи
могут создавать странные потоки крошечных светящихся заряженных частиц,
которые были названы электронами.
А в 1896 году в Париже
было сделано самое значимое из всех открытие.
То, что яснее всех прочих раскрыло секрет атома.
Было продемонстрировано, что металлический уран испускает странную и мощную энергию,
которая была названа радиоактивностью.
Это было похоже на научную фантастику.
Радиоактивные металлы были тёплыми на ощупь.
Они даже могли обжечь кожу.
А лучи могли проходить сквозь твёрдый материал так, как если бы его там не было.
Это было настоящим чудом современной эпохи.
Резерфорд был одержим радиоактивностью.
Его терзали всевозможные вопросы.
Как это происходит? Почему проявляется в разных формах?
Как далеко радиация может переместиться в вакууме или воздухе?
Влияет ли она на материю, с которой встречается?
В Манчестере, вместе со своими помощниками - Гансом Гейгером, изобретателем одноименного счетчика,
и Эрнестом Марсденом, он разработал серию экспериментов,
которые могли помочь в разгадке радиоактивности.
1909 год. Манчестерский университет.
Особенности эксперимента.
Лист золота, доведенный ковкой до толщины в несколько атомов.
Передвижной фосфоресцирующий экран,
сверкающий всякий раз, когда его поражают радиоактивные волны.
Ну, а внутри коробки - гвоздь программы.
Маленький металлический кусочек радия.
Радий - это чрезвычайно мощный источник
того вида радиоактивности, который Резерфорд назвал альфа-лучами.
Это не настоящие лучи. Больше похоже на непрерывный поток частиц.
Радий выплевывал эти частицы как пулемет, в котором никогда не кончались пули.
Резерфорд поставил перед своими студентами достаточно простую задачу.
Воспользоваться радиевой пушкой.
Обстреливать альфа-частицами золотую фольгу
и с помощью фосфоресцирующей пластины
считать число частиц, выходящих с другой стороны.
Что на практике означало: сидеть в одиночестве и в темноте
и считать крошечные, почти невидимые вспышки на фосфоресцирующем экране.
Это было очень утомительно, но Резерфорд настаивал на своём.
Прошли недели, но команда исследователей не нашла ничего необычного.
Казалось, альфа-частицы пролетали сквозь золото
так, как если бы его там не было.
Очень редко они слегка отклонялись от прямой линии, когда пролетали насквозь.
Вряд ли это могло войти в заголовки новостей!
Но произошло то, что можно назвать наиболее удачной случайно обронённой репликой
за всю историю науки.
Той самой, которая изменила мир.
Рассказывают, что Резерфорд столкнулся со своим помощником, Гейгером, в коридоре.
Гейгер сообщил, что до сих пор им так и не удалось увидеть ничего необычного.
В ответ Резерфорд мог бы просто кивнуть и пройти мимо,
но он так не поступил.
Позже он утверждал, что сказал это в тот момент
просто наобум.
Но я ему не верю.
У Резерфорда была необычайная развита научная интуиция,
и я думаю, он почувствовал, что что-то должно было случиться.
Вот что он сказал Гейгеру:
"Скажи юному Марсдену, пусть посмотрит, сможет ли он зафиксировать какие-нибудь альфа-частицы
с той же стороны золотой фольги, что и источник радия".
Другими словами, надо было посмотреть, не отскакивают ли некоторые из альфа-частиц назад.
В тот момент это было странное предположение даже для Резерфорда,
и не было ни какой логической причины проверять его.
Ведь Гейгер с Мардсеном провели недели,
наблюдая, как альфа-частицы только и делают, что проходят сквозь золотую фольгу,
так, как будто её там и не было.
С чего бы вдруг некоторым отскакивать?
Но Гейгер и Марсден были молоды и благоговели перед выдающимся новозеландцем.
Они выполнили распоряжение учителя, и вернувшись в свою тёмную лабораторию,
терпеливо наблюдали.
В течение несколько дней им не удавалось заметить абсолютно ничего.
Рискуя испортить зрение до близорукости,
они не увидели ни единой альфа-частицы, отскакивающей от золотой фольги.
Похоже, поручение Резерфорда не имело никакого смыла.
Но потом произошло невозможное.
Однажды после обеда, это случилось в 1909 году,
Гейгер ворвался в кабинет Резерфорда с потрясающими новостями.
Очень-очень редко
альфа-частицы действительно рикошетом отскакивают от золотой фольги.
Гейгер подсчитал, что это делала только одна из 8 тысяч альфа-частиц.
Это был ничтожный процент,
но от такой новости у Резерфорда голова пошла кругом.
Позднее он скажет, что это всё равно, что выстрелить ракушкой по папиросной бумаге,
и увидеть, что она отскочила от неё обратно.
Тут-то Резерфорд понял, что напал на золотую жилу в физике.
И хотя прошло ещё больше года,
прежде чем он понял, почему альфа-частицы ведут себя таким образом,
но когда он понял это, он впервые показал человечеству
атом изнутри.
Люди ещё только-только свыкались с мыслью, что атомы существуют.
А Резерфорд уже знал, что этот крохотный мир,
размером в одну десятую от миллионной доли миллиметра в поперечнике,
имел свою собственную внутреннюю структуру.
Внутри атомного есть субатомный мир.
И Эрнест Резерфорд верил, что знает, как он выглядит.
Резерфорд понял, что отскакивающая альфа-частица
показала атом таким, каким его никто не ожидал увидеть.
На Земле не было ничего, что походило бы на него.
Поэтому Резерфорд искал аналогии на небесах.
Он представил атом как крошечную Солнечную систему.
Электроны, мельчайшие отрицательно заряженные частицы,
движутся по орбитам вокруг очень малого положительно заряженного объекта,
названного ядром.
Резерфорд подсчитал, что ядро было в 10 тысяч раз меньше, чем сам атом.
Вот почему отскакивала только одна из 8 тысяч альфа-частиц.
Единицы из них случайно соударялись с крошечными ядрами.
Остальные же пролетали, ничего не задев.
Первым удивительным заключением, которое можно было сделать,
являлось то, что атом по Резерфорду почти полностью состоит из пустого пространства.
Вот почему почти все альфа-частицы проскочили через атомы золота, как через пустоту.
Там и в самом деле пусто.
Рассмотрим необычные выводы Резерфорда об атоме,
представив его в увеличенном масштабе.
Если бы ядро было размером с футбольный мяч,
тогда ближайший к нему электрон вращался бы по орбите,удалённой на 800м.
Всё остальное пространство атома было бы абсолютном пустым.
Можно представить это по-другому.
Если убрать всё пустое пространство из всех атомов в моем теле,
я съёжился бы до размера, меньшего, чем крупинка соли.
Конечно, мой вес не изменился бы.
Если проделать то же самое со всем человечеством,
тогда все 6 миллиардов человек
уместились бы внутри одного яблока!
Атом не похож ни на что, с чем мы ранее встречались.
И он выглядел всё более и более странно.
Почти сразу же возникла проблема,
и она была серьезной.
Согласно проверенной и испытанной науке того времени,
электроны должны были постепенно потерять свою энергию,
исчерпать скорость и по спирали упасть на ядро
в одно мгновение ока.
Атом Резерфорда противоречил всем известным законам науки.
Атом не заботился о вызове, который он бросил научному обществу.
Это почти полностью пустое пространство собиралось таким и оставаться.
Я не подаю никаких признаков того, что собираюсь сжаться до размеров крупинки соли.
А Земля имеет размеры Земли.
И не становится меньше.
Есть смысл напомнить хронологию событий.
За шесть коротких лет, с 1905 по 1911 год,
атом заявил о своем существовании
и о том, что он невообразимо мал.
Потом обнаружилось, что главным образом он состоит из пустоты.
А теперь он к тому же не подчинялся известным законам физики.
Неудивительно, что все признанные учёные того времени,
включая Эйнштейна, были сбиты с толку.
Научные идеи, в которые они верили всю свою жизнь,
с треском провалились при попытке объяснить атом.
Атому требовалось новое поколение ученых,
чтобы идти по стопам Резерфорда.
Смелых, талантливых и, прежде всего, молодых.
Было крайне важно, чтобы они не были преданы или привязаны
к идеям, которые сдерживали предыдущие поколения.
Одним из первых ученых нового поколения был Нильс Бор.
Он отплыл из Дании в 1911 году,
чтобы обосноваться на английской почве.
Закончив обучение в Копенгагене,
Бор решил уехать за границу и быть в эпицентре новой физики.
Пути привели его в Британию, в Манчестерский университет к Эрнесту Резерфорду.
Бор обладал блестящим умом,
но временами ему мешала его патологическая одержимость деталями.
Настолько, что по легенде Бор выучил английский,
многократно перечитывая "Посмертные записки Пиквикского клуба" Диккенса.
Бор был столь очарован резерфордовской картиной строения атома,
что взял на себя миссию разрешить головоломку,
почему атом не разрушается,
и почему в нём так много пустого пространства.
Как представитель нового поколения физиков-теоретиков,
он был бесстрашен в своих рассуждениях
и в погоне за объяснением был готов отказаться от здравого смысла
и человеческой интуиции.
Итак, в порыве вдохновения,
он начал искать ключи к структуре атома,
но не изучая материю,
а исследуя таинственную и удивительную природу света.
Очевидно, что атомы и свет связаны между собой.
Большинство веществ светятся при нагревании.
За многие века люди осознали, что различные вещества
светятся своим собственным характерным цветом, подобно подписи.
Так зеленый - это цвет меди, желтый - натрия, а красный - лития.
Эти цвета, связанные с различными веществами, называются спектром.
И выдающаяся догадка Бора
заключалась в том, что спектры говорят нам что-то о внутренней структуре атома,
что они могут объяснить все это пустое пространство.
Бор решил взять планетарную модель атома Резерфорда
и заменить её тем, что почти невозможно мысленно представить или вообразить.
Такие благоразумные идеи, как пустое пространство и частицы, движущиеся по орбитам, потеряли силу.
Их заменили на нечто,
являющееся одной из самых непонятных и неверно понимаемых концепций во всей науке -
квантовый скачок.
У большинства физиков многие годы уходят на то,
чтобы разобраться, что же такое квантовый скачок.
Сам Бор говорил, что если вы думаете, что поняли его,
значит вы думали об этом недостаточно.
Так что я сейчас вздохну поглубже
и за 30 секунд постараюсь объяснить вам
одно из сложнейших понятий в науке,
лежащее в основе всей вселенной.
Бор описал атом не как Солнечную систему,
а как многоэтажное здание.
На первом этаже живут ядра,
а электроны оккупировали этажи выше.
Таинственные законы означают, что электроны могут жить только НА этажах,
но не между ними.
Другие таинственные законы означают, что иногда
они могут мгновенно перепрыгивать с одного этажа на другой.
Это и называется квантовым скачком.
Бор не имел никакого понятия об этих законах.
Но мысли, подобные этой, позволили ему сделать поразительное предсказание.
При прыжке электрона с верхнего этажа на нижний
он испускает свет.
Еще важнее то,
что цвет света зависит от того,насколько велик или мал квантовый скачок, который делает электрон.
Так электрон, прыгающий с третьего этажа на второй,
мог испускать красный свет.
А электрон, прыгающий с десятого на второй, -
синий цвет.
Чтобы проверить свою новую теорию,
Бор использовал её для предсказания.
Могло ли это объяснить загадочную подпись в спектре водорода?
После месяцев неистовых расчётов
он, наконец, пришел к результату.
И его предсказание было удивительно точным.
Впервые за всё время
стало казаться, что спектр мог быть объяснен.
И в далёком 1913 году это стало важной новостью.
Но новая идея Бора опиралась на одно довольно спорное предположение.
Почему электроны и атом
ведут себя так, будто они внутри многоэтажного здания?
И почему они, как по волшебству, должны совершать квантовые скачки с этажа на этаж?
В науке того времени это было беспрецедентно.
Когда один физик заявил, что скачки - это абсурд,
Бор ответил: "Да, вы совершенно правы!"
"Но это не доказывает, что их нет
лишь потому, что вы не можете их увидеть!"
На самом деле невозможность мысленно представить себе что-то идёт в разрез с предназначением науки.
Старшее поколение ученых, в частности, считало, что наука существует для понимания мира,
а не для придумывания произвольных правил, которые подходили бы для существующих данных.
Конфликт между двумя поколениями ученых был неизбежен.
Странный новый атом Бора и его безумные квантовые скачки
стали серьёзным вызовом для традиционной, классической науки,
и старая гвардия отозвалась на это очень резко.
Традиционалистов возглавлял
титан мира физики - Альберт Эйнштейн.
Он ненавидел идеи Бора
и собирался с ними бороться.
Всё что угодно, для спасения мира порядка и здравого смысла
от этих безумных нападок.
Однако Бора это не отпугнуло, и к началу 1920-х годов
обозначилась линия фронта одного из величайших конфликтов в истории науки.
Большую часть начала 1920-х годов Эйнштейн провёл в спорах
с Нильсом Бором, которые проходили с переменным успехом.
Его статус знаменитости придавал ему силы,
поэтому, когда он говорил, что презирает идеи, подобные квантовому скачку,
которые, казалось, были взяты с потолка, люди прислушивались.
И вот однажды в 1925 году к нему на стол попало письмо,
оказавшееся буквально манной с небес физической науки.
Наконец-то появилась идея, которая описывала атомный мир
с помощью проверенных и испытанных принципов традиционной науки.
Эйнштейн был в экстазе. Он сказал друзьям:
"Наконец-то приоткрылась завеса над устройством вселенной".
Вместе с письмом он получил диссертацию молодого француза.
А за этим стояла настоящая сказка.
Во время Первой мировой войны молодой французский студент проводил время
на вершине Эйфелевой башни в качестве радиста.
Его звали принц Луи де Бройль.
Выходец из французской аристократии, посвятивший себя физике.
Он был настолько богат, что построил собственную лабораторию неподалеку от Елисейских полей.
После войны де Бройль попал под влияние тайн и споров вокруг атома.
И тогда его опыт работы радистом во время войны
подсказал ему интригующую идею.
Возможно, радиоволны помогут объяснить атом.
Хотя они и невидимы, но ведут себя подобно волнам на воде.
Подобно ряби, расходящейся по поверхности пруда,
радиоволны тоже подчинялись математическим уравнениям,
которые были надёжными и понятными, установленными уже десятки лет назад.
Поэтому в своей диссертации Де Бройль описал волны, схожие с радиоволнами,
которые толкали электрон вокруг атома.
Он назвал это пилот-волнами.
А ещё эти пилот-волны крепко держат электрон на его орбите,
удерживая атом от разрушения.
Не было никаких странных мгновенных квантовых скачков,
только знакомые волны, доступные интуитивному здравому смыслу.
В рядах традиционалистов сразу почувствовалось облегчение.
Они кричали: "Это всё волны,
а что такое волны, мы понимаем".
Эйнштейн и традиционалисты считали, что победа была в их руках.
Они были убеждены,что Бор и "новая наука" об атоме с её безумными квантовыми скачками на грани поражения.
Но Нильс Бор не был человеком, привыкшим сдаваться.
Даже при том, что он объяснил спектр водорода,
своей новой революционной теорией,
у него не было международного признания, как у Эйнштейна.
Но в его родной Дании
его теории хватило, чтобы сделать его звездой.
Окрылённый успехом, в 1916 году Нильс Бор вернулся в Копенгаген как герой-победитель.
Его новоиспечённый статус знаменитости
позволил ему очень легко собрать деньги на свои исследования.
В действительности, благодаря вложениям пивоваренного завода "Карлсберг",
он смог построить новый исследовательский институт.
Можно сказать, что пиво помогло нам понять секреты атома!
Этот институт стал ведущим центром исследований в области теоретической физики, который сохранился и по сей день.
Я приехал сюда в начале 1990-х годов для проведения исследований по ядерному свечению.
Уже тогда это было местом, где следовало проводить подобные эксперименты.
Это - главная аудитория Института Нильса Бора.
Она не очень впечатляет, как иные лекционные залы,
но она полна замечательных, необычных деталей.
Я помню, как читал здесь лекции несколько лет назад,
и я знаю, что Нильс Бор сам разработал некоторые механизмы, которые поднимали и опускали классные доски.
Там был причудливый ряд досок,
одна под другой,
досок, исписанных его формулами
так, что не нужно было стирать какие-нибудь его уравнения.
Чтобы не терять время.
Репутация Бора как учёного, переполненного радикальными и нетрадиционными идеями,
сделала Копенгаген магнитом для молодых амбициозных физиков.
Они стремились оставить своей след
и быть частью передовой и новой науки Бора,
которая стала известна как квантовая механика.
В 1924 году, бросая вызов Эйнштейну и традиционному объяснению атома Де Бройля,
радикалы выдвинули новую теорию,
основанную на квантовых скачках Бора.
Это была их самая амбициозная и самая противоречивая идея.
Впервые она была разработана Вольфгангом Паули, одной из восходящих звёзд Бора.
Паули принял идею Бора о странных "квантовых скачках"
и превратил их в одно из наиболее важных понятий всей науки.
И я это говорю не просто так.
Идея Паули сводится к скучному названию "Принцип Запрета".
Но мне кажется, лучшим названием было бы "Хорошо охраняемые секреты Бога",
потому что оно объясняет огромное многообразие Творения.
Идея Паули заключалась в возможном ответе на следующий вопрос:
"Каждый атом состоит из одних и тех же простейших компонентов.
Так почему же они предстают перед нами в таком множестве разных обличий?"
В таком богатом разнообразии цвета, строения и химических свойств?
Например, золото и ртуть.
Два совершенно разных элемента. Золото - твердое,
ртуть - жидкая. Золото инертно, ртуть - высокотоксична.
А различаются они всего лишь на один электрон.
У золота их 79, у ртути - 80.
Как умудряется один крошечный электрон привести к таким отличиям?
Что сделал Паули - вытащил прямо из воздуха ещё одно квантовое правило.
Помните многоэтажный атом Бора?
Ядро - это первый этаж,
а этажи выше постепенно заполняются электронами.
Паули сказал, что есть еще одно квантовое правило, которое строго утверждает,
что каждый этаж может содержать только фиксированное число электронов.
Поэтому, если мы хотим добавить еще один электрон в атом,
он должен проверить вакантные места на верхнем этаже.
И если этаж уже заполнен,
для электрона выше создается следующий этаж или оболочка.
Таким образом один единственный электрон
может в корне изменить форму атома,
а это, в свою очередь, влияет на поведение атома
и его взаимодействие с другими атомами.
Так что Принцип Паули - это на самом деле фундамент,
на котором стоит вся химия и, в конечном счёте, биология.
Принцип запрета Паули был важным прорывом в квантовой механике Бора.
Казалось, впервые было предложен реальный шаг к пониманию
невероятного разнообразия окружающего мира
и, возможно, самой жизни.
Его успех проделал огромную брешь в защите старой физики Эйнштейна.
И подобно квантовому скачку, он был словно из фантастической книги правил атомной физики.
Паули не объяснил, почему его принцип работал. Он сказал, что он просто работает.
Эйнштейн и традиционалисты его возненавидели.
Для них это звучало, как высокомерный антинаучный вздор.
Но им было нужно нанести ответный удар и удар жёсткий.
До сих пор дискуссии о новой атомной физике
были вежливы и благородны.
Теперь обе стороны выкатили свои самые крупные орудия.
Два самых великих в физике имени.
Это были два совершенно противоположных характера, которые ненавидели друг друга.
На стороне революционной науки
выступал застёгнутый на все пуговицы настоящий боец, немец
по имени Вернер Гейзенберг.
На стороне консерваторов - изысканный, в байроновском стиле, австриец
по имени Ирвин Шрёдингер.
Ирвин Шрёдингер,
страстный и творческий, философ и романтик.
Он писал книги о древних греках, о философии, о религии,
находился под влиянием индуизма.
Это был очень яркий человек,
холодный, обходительный, утончённый,
щеголеватый франт и большой дамский угодник.
Про распущенность Шрёдингера ходили легенды.
У него была череда подружек на протяжении всей супружеской жизни,
некоторые были намного моложе его.
В 1925 году 38-летний Шрёдингер
остановился в альпийской деревушке Ароза в Швейцарии
для тайной встречи со старой подругой,
чьё имя остается загадкой и по сей день.
Но их страсть послужила катализатором для творческого духа Шрёдингера.
Один из физиков как-то сказал о той сексуально вдохновленной неделе физики Шрёдингера:
"В ту неделю перед ним стояло две задачи:
удовлетворить женщину и решить загадку атома.
К счастью, ему удалось и то, и другое".
Он взял идею Де Бройля о таинственных экспериментальных волнах, управляющих движением электронов вокруг атома,
за отправную точку.
Он утверждал, что электрон действительно представлял собой волну энергии,
колеблющуюся так быстро, что это выглядело как облако вокруг атома,
облакообразная волна чистой энергии.
Более того, он предложил новое мощное уравнение,
которое полностью описало эту волну
и, таким образом, описала весь атом
в понятиях традиционной физики.
Уравнение, которое он придумал, теперь называется волновым уравнением Шрёдингера.
Оно невероятно убедительное.
Его уникальность заключается в том,
что оно содержит новую величину, названную волновой функцией,
которая, как утверждал Шрёдингер, полностью описывало поведение субатомного мира.
Уравнение Шрёдингера и картина атома, которую оно рисует,
созданные в период отпуска, окрашенного сексуальным вдохновением, в Швейцарских Альпах,
ещё раз позволило учёным мысленно представить себе атом
в простых понятиях.
Трудно переоценить то значение, которое оказала идея Шрёдингера
на сообщество физиков-традиционалистов.
Какой бы странной ни была его картина представления атома,
но по крайней мере это была картина,
а ученые любят картины.
Они позволяют им воспользоваться своей интуицией.
Но ещё оставалась одна очень раздражавшая проблема,
та, из-за которой радикалы не могли примириться со Шрёдингером.
Его новая теория по-прежнему никак не учитывала странные мгновенные квантовые скачки Бора.
Пришло время радикалов нанести ответный удар.
Летом того же года,
один из протеже Нильса Бора, Вернер Гейзенберг,
отправился в путешествие на мрачный остров на северном побережье Германии.
Он был неудержимо горяч и воспринял идеи Шрёдингера как персональный вызов.
Он был уверен, что странность квантовых переходов
на самом деле ключ к пониманию атома.
Он считал атом настолько уникальным и необычным,
что его нельзя было сводить к компромиссу через простую аналогию
с волной или орбитой,
или даже с многоэтажным зданием.
Он считал, что пришло время совсем отказаться от любого представления атома.
Вернер Гейзенберг - один из истинных гениев 20-го века.
Молодой, спортивный, замечательный альпинист, прекрасный пианист,
он также был выдающимся студентом.
В возрасте всего лишь 20-ти лет он уже заканчивал написание своей кандидатской
и снискал расположение крупных университетов по всей Европе.
Теперь же, летом 1925 года,
он страдал от особенно тяжёлого приступа сенной лихорадки.
Лицо его распухло почти до неузнаваемости.
Он решил сбежать и побыть в одиночестве, здесь,
на этом красивом, но изолированном острове Хельгеланд.
Он гулял по пляжу, плавал, взбирался на горы
и размышлял.
С того момента как он столкнулся с атомной физикой,
Гейзенберг был совершенно уверен, что все человеческие попытки представить атом
в виде модели из знакомых образов, всегда будут обречены.
Атом, по его мнению, был излишне капризен,
слишком странен, чтобы вот так просто быть объяснённым.
Поэтому он решил отказаться от любых его изображений,
и описать его, используя одну лишь математику.
Но размышляя, он понял, что атом бросает вызов не только мысленному представлению о себе,
но даже и традиционной математике.
Именно здесь, на Хельгеланде,
Гейзенберга посетило невероятное озарение.
Он понимал, что для того, чтобы описать некоторые свойства атомов,
он должен был использовать странный новый тип математики.
Оказывается, что определенные свойства, такие как, местоположение электрона в данный момент, и его скорость движения,
при перемножении зависят от того, в каком порядке их умножать.
Позвольте, я попробую объяснить.
Если мы перемножаем два числа, от их порядка результат не зависит.
То есть, трижды четыре - это то же самое, что четырежды три.
Но в случае с атомами
Гейзенберг понял, что в зависимости от порядка умножения количеств, получается разный результат.
Это быстро привело его к другим открытиям,
и он был уверен, что расколол секрет атома,
что он каким-то образом нашел скрытую внутри него математику.
Он был крайне возбуждён. А также очень напуган.
В ту ночь, он взобрался на вершину скалы
и просидел там до рассвета.
Он назвал это своей "Хельгеландской ночью".
Вернувшись в университет в Гёттингене, он рассказал об этом своему коллеге Максу Борну,
и затем в течение нескольких месяцев они интенсивно работали вместе,
разрабатывая совершенно новую теорию атома.
Теорию, которую мы сегодня называем "матричной механикой".
Матричная механика управляется со сложными массивами чисел,
как с таблицами.
Манипулируя этими массивами,
Гейзенберг и его наставник, выдающийся физик Макс Борн,
сумели точно предсказать поведение атома.
Но для Эйнштейна и традиционалистов
это было чистой научной ересью.
Атом не может быть никакой матрицей из чисел.
Ведь мы же состоим из атомов, а не из чисел?
По возвращении в Копенгаген
Бор и Паули были глубоко взволнованы матричной механикой.
Ну и что с того, что не получалось представить атом как физический объект?
Они были возбуждены чистотой математики,
и ядовито набросились на вульгарные чувственные волны Шрёдингера.
Гейзенберг писал: "Чем больше я размышляю о физической составляющей уравнения Шрёдингера,
тем более омерзительной я её нахожу.
На самом деле, это просто чушь".
Но Шрёдингер был столь же резок, как и Гейзенберг,
говоря, что ему неприятны его методы, и он находит его математику чудовищной.
В 1926 году в Мюнхене, их вражда накалилась до предела.
Шрёдингер должен был прочесть лекцию о своем волновом уравнении.
Гейзенберг наскрёб денег на путешествие в Мюнхен на эту лекцию,
чтобы наконец сойтись лицом к лицу со своим соперником.
Так что на карту было поставлено больше, чем просто репутация Гейзенберга.
Он считал, что упрощенный подход Шрёдингера
был не просто ошибочным, а совершенно неверным.
И его намерением было просто-напросто разрушить теорию Шрёдингера.
Шрёдингер читает свою лекцию по новой волновой механике
в битком набитой аудитории, где только стоячие места.
Он записывает свое новое волновое уравнение.
Для Шрёдингера это было описанием реальной физической картины атома,
с электронами, подобно волнам, окружающим атомное ядро.
В аудитории - 24-летний Вернер Гейзенберг.
Он еле себя сдерживает.
В конце лекции он встает и произносит монолог, критикующий подход Шрёдингера.
По Гейзенбергу невозможно как-либо отобразить
то, что представляет из себя атом.
Аудитория - на стороне Шрёдингера.
Они предпочитают его простую физическую интерпретацию
абстрактной, сложной математике Гейзенберга.
Гейзенберг освистан. Его просят сесть и успокоиться.
Он покидает лекцию грустный и подавленный.
Гейзенберг вернулся в Копенгаген с весьма пошатнувшейся убеждённостью.
Там же, в институте, они с Бором пережили самые мрачные моменты своей жизни.
Почти всё научное сообщество от них отвернулось.
Они чувствовали себя изолированными, отчаявшимися. Прижатыми к стене.
Несмотря на это, они упорно придерживались своих спорных теорий.
Эта комната на чердаке была кабинетом Гейзенберга в далёком 1926 году.
Бор бывало приходил сюда каждую ночь,
и они с Гейзенбергом спорили о значении квантовой механики.
Бывало, они спорили так страстно,
что однажды Гейзенберг был доведён до слёз.
И тогда, в отчаянии уставившись в окно своего чердака
на раскинувшийся внизу парк,
Гейзенберг вдруг поймал себя на потрясающей мысли.
Его вдруг осенило, почему атом невозможно представить,
почему его нельзя интуитивно понять.
Не только, потому что он крошечный, запутанный и неясный.
А потому, что он изначально непостижим.
Он понял, что есть фундаментальный предел того, как много мы можем узнать о субатомном мире.
Например, если мы знаем, где находится электрон в конкретный момент времени,
то мы не можем знать, как быстро он движется.
Но если бы мы знали его скорость, мы бы не знали его местоположение.
Эта неопределённость не является недостатком самой теории.
Это вызвано не столько неуклюжестью, с которой мы проводим свои измерения,
сколько фундаментальной истиной о том, как ведёт себя Природа
на субатомном уровне.
Эта теория получила известность как принцип неопределённости Гейзенберга.
И это, пожалуй, наиболее глубокая, невероятная, и, к тому же, еще и тревожная концепция
во всей науке.
Что же открыл Гейзенберг с помощью своей абстрактной матричной механики?
Это была глубокая и шокирующая правда об атомном мире.
Атомы преднамеренно неясны.
Мы никогда не сможем точно узнать одновременно и положение атома, и его скорость.
Атомный мир просто не позволит, чтобы это произошло.
Это было просто ошеломительно.
Но как только они приняли это,
Гейзенберг и Бор упрочнились в уверенности в своей правоте и стали более дерзкими.
Они поняли, что неопределённость вынуждает их поместить парадокс в самое сердце атома.
Атомы не только невообразимы. Они противоречивы.
Они ведут себя и как частицы, и как волны.
И это странно.
Когда вы не наблюдаете за атомом, он ведет себя как распространяющаяся волна.
Но когда вы хотите увидеть, где он,
он ведет себя как частица.
Это безумие!
Сначала атомы вообще не могли быть мысленно представлены,
теперь они совершенно меняют свойства, в зависимости от того, смотрим мы на них или нет.
Принцип неопределенности изменил всё.
Он выявил шокирующие противоречие в сердце Природы.
Все, что мы видим, состоит из атомов.
И всё же сами атомы непознаваемы.
Их можно понять только с помощью математики.
Впервые для Бора и Гейзенберга всё, связанное с атомом, встало на свои места.
К осени 1927 года
полные уверенности и желания бороться,
они поняли, что наконец готовы одолеть консерваторов.
Для этого решающего поединка физиков
они выбрали конференцию Сольвей в Брюсселе.
Там их услышат все мировые ведущие атомные физики.
Если Бор и Гейзенберг выступят успешно,
они произведут тотальную научную революцию.
Это удивительно. Я просматриваю оригинальные кадры
делегатов Сольвей, выходящих из этих дверей.
Вот Бор разговаривает со Шрёдингером, а вот позади них Гейзенберг.
Вон Паули, странноватый парень.
А вот спускается Эйнштейн с широкой улыбкой на лице.
За неделю работы конференции всё, о чем делегаты могли думать и говорить,
была квантовая механика Бора.
Тогда неопределённость была в центре внимания,
и это была поистине значительная теория.
В течение всей недели главное противоборство разыгрывалось
между Бором и его главным соперником, Альбертом Эйнштейном.
Эйнштейн ненавидел квантовую механику.
Каждое утро он приходил к Бору с новым аргументом,
который, как он считал, пробьет брешь в новой теории.
Бор уходил очень обеспокоенный, обдумывая этот аргумент,
а потом возвращался с контраргументом, разбивающим критику Эйнштейна.
Это происходило день за днём, пока под конец конференции
Бор не отмёл в сторону всю критику Эйнштейна,
и Бор был признан победителем.
И с этим его видение атома,
которое стало известно как "Копенгагенская интерпретация",
стало вдруг центральным в атомной физике.
По окончании конференции они собрались все вместе для групповой фотографии.
Никогда ни до, ни после этого столько громких имён в физике
не собирались в одном месте.
В центре старший государственный физик Гендрик Лоренц,
зажатый с двух сторон мадам Кюри и Альбертом Эйнштейном.
У Эйнштейна довольно мрачный вид, потому что он проиграл.
Луи Де Бройль также потерпел неудачу, не убедив делегатов в правоте своих взглядов.
Победу одержал Нильс Бор.
Он очень доволен собой.
Рядом с ним - один из не воспетых героев квантовой механики,
немец Макс Борн, который внёс огромнейший вклад в математику.
А позади них - два молодых ученика Бора,
Гейзенберг и Паули.
Паули выглядит скорее самодовольно по сравнению со Шрёдингером,
как кошка, съевшая сметану.
Для физики это был момент, который изменил всё.
Старую гвардию сменила новая.
Случайность и вероятность были вплетены в ткань самой Природы.
И мы больше не могли описать атомы простыми картинами,
а лишь только с помощью абстрактной математики.
Копенгагенский взгляд оказался победным.
И хотя Эйнштейн сошёл в могилу, так и не поверив в квантовую механику,
Сольвей 1927 года стал той поворотной точкой,
после которой все научные деятели
приняли Копенгагенскую Интерпретацию.
И эта интерпретация действует и сегодня.
Вся физика, которую я использую в своих исследованиях,
и, конечно, квантовая механика, которую я преподаю своим студентам,
которой посвящен текст всех учебников на моих полках,
основывается на идеях, ковавшихся и кристаллизовавшихся здесь, на Сольвейской конференции в октябре 1927 года.
В каком-то смысле все мои знания о том, как устроен мир вокруг меня
исходят отсюда.
Описание атома в квантовой механике
является одним из венцов славы творческой деятельности человека.
За прошедшие 80 лет это было неоднократно доказано,
и его авторитетность никогда не подвергалась сомнению.
Это монументальное научное достижение.
В период с 1905 по 1927 года
наука изменила наш взгляд на мир.
Она также изменила наши взгляды и на саму науку.
Исследуя мельчайшие строительные кирпичики материи,
учёные создали самую успешную и мощную теорию в истории -
квантовую механику.
Она позволяет описать всё то, из чего состоит вселенная,
как оно взаимосвязано и как это всё работает вместе.
Но это достается дорогой ценой.
На самом фундаментальном уровне
нам приходится признать, что Природой управляют случайность и вероятность.
Принцип неопределенности Гейзенберга
диктует, что существуют определённые ограничения на вопросы, которые мы можем задать миру атомов.
Важнее то, что с тех пор, как мы узнали намного больше
о том, что такое атом, и как он себя ведет,
нам приходится отказаться от любой возможности представить, на что он похож.
Наша человеческая природа заставляет нас задавать вопросы обо всем, что мы видим вокруг себя.
Но то, что мы обнаружили, оказалось за пределами нашего самого буйного воображения.
Тайминг MVGroup.org Перевод Truetranslate.tv Редакторы Irina73, IamCrazy, Betelgeuse_990, cepylka, Torry, Lisok
Переведено на сайте www.notabenoid.com Переводчики: Lisok, Irina73, IamCrazy, drauge, cepylka, vadims, kodev, AndyMcLom, skleppi, Betelgeuse_990, Dark_Vova, omgwtflol1234