Предполагалось, что с электронами происходит то же самое. Но на основании квантового подхода Планка Бор предположил, что каждый электрон должен оставаться на дискретной, с фиксированным расстоянием от ядра орбите. Он предположил, что электрону «разрешено» находиться на одном или на другом определенном от ядра атома расстоянии, но не между ними [7].
Получив долю энергии, электрон перешел бы на бо́льшую орбиту, но это был бы специфический переход. И для него он должен поглотить совершенно определенное количество (или квант) энергии, не меньше и не больше. Данное количество энергии затем будет вычитаться из ее источника, и это оставит характерный черный пробел в ее спектре.
Получив энергию, электрон может затем ее отдать, перейдя до более низкого орбитального состояния, одновременно излучая столь же определенное количество энергии – и, следовательно, определенную частоту излучения. Дискретные биты (кванты) энергии были определены через h – постоянную Планка. Все другие переходы или «скачки» энергии должны быть кратными этому числу.
Планковская единица энергии – не произвольная величина, а константа для всего мироздания. Планк самостоятельно определил ее точное значение по результатам своих наблюдений и экспериментов. Она стала новой фундаментальной единицей в физике[8].
Но с самого начало всё это представлялось довольно-таки странным. Представьте себе, что так же ведут себя небесные тела. Что Луна вращается вокруг Земли на своей теперешней орбите или на расстоянии в два или в три раза большем, но не в промежуточном положении. Все это происходит не из-за воздействия на нее других планет или объектов… а просто так. А теперь представьте, что она перескакивает с одной из этих орбит на другую за нулевое время. И при этом ее движение не происходит через промежуточное пространство. Однако именно так поступают электроны, совершая дискретные прыжки, непонятным образом избегая любого перемещения в пространстве и не затрачивая на это времени.
Хотя всё прояснилось: и спектры горячих объектов, и продолжительное существование атомов можно было объяснить. Однако за это пришлось заплатить свою цену: теория бросала вызов рациональности и перечеркивала накопленный опыт – даже самому Планку далось это нелегко. Спустя годы он сделает признание: «Новая научная истина побеждает не потому, что убеждает оппонентов, заставляет их прозреть, а побеждает она потому, что ее оппоненты в конце концов умирают, и вырастает новое, знакомое с ней поколение».
Введение Планком понятия кванта в 1900 г. всё изменило, но это было только начало. Спустя всего пять лет, в 1905 г., Эйнштейн применил квантовую теорию к самому свету. Он заявил, что свет, о волновой природе которого было давно известно, также состоит из сгустков или дискретных пакетов энергии – по сути, частиц света, называемых фотонами. Их природа была полностью подтверждена в 1922 г., когда было доказано, что рассеяние света, благодаря которому наше небо имеет синий цвет, может быть вызвано только светом в виде частиц, а не волн.
А в 1924 г. французский физик Луи де Бройль на основе квантовой теории доказал, что волновой природой обладает не только свет, но и частицы. Каждая частица во Вселенной также является волной и имеет двойственную природу. На основе работ Планка и Эйнштейна де Бройль вывел формулу для описания длины волны и величины энергии у объектов различных размеров. Вывод де Бройля о волновой природе всех частиц, а не только электронов, был экспериментально подтвержден уже через два года при изучении дифракции на кристаллах.
К несчастью (или к счастью для тех, кому нравятся странные и неожиданные открытия), одна диковинная находка неизменно тянула за собой другую, как если бы наука перемещалась из одной Страны чудес в другую. Хотя каждая из исследуемых проблем казалась логичной, их решения представлялись полной противоположностью. Поэтому в 1920-е годы физики, проходя через новые порталы, каждый из которых означал прорыв в понимании природы, были ошеломлены и взволнованы. Попутно им пришлось заново проработать такие, на первый взгляд, несложные вопросы, как определение местонахождения той или иной частицы. Поначалу это представляется довольно простым. Если что-либо является волной (а под этим «что-то» можно понимать и все мироздание), то оно должно иметь природу также и частицы, – и как любая частица, в любой данный момент должно находиться в каком-то месте. Причем это место должно быть где-то конкретно и больше нигде. Но как определить, здесь оно или там? Ученые посчитали, что если атом представляет из себя скопление волн, то при наблюдении интерференции волн можно идентифицировать гармонические биения. То есть должны существовать такие точки, где отдельные волны не гасят друг друга, а, напротив, взаимоусиливают. Получается статистический «разброс» подобных мест, который говорит нам, где с наибольшей вероятностью находится любая конкретная частица. Все подобные прогнозы ученых вскоре оправдались. Однако такие «наиболее вероятные места» оказались намного ближе, чем ожидалось.
7
Одним из результатов открытия явилось то, что мы наконец-то смогли узнать размер атома. Его ширина составляет 0,0529 нанометра, или примерно 1/200 ангстрема.
8
Величина этой постоянной h равна 6,6218 × 10–34 Дж (где Дж – джоуль, единица энергии). На практике используют h, деленную на 2π, эта величина называется «h с чертой». Физики умножают h с чертой на угловую частоту определенного излучения. «h с чертой, умноженная на угловую частоту», равна «пакету» или дискретному пучку энергии, который Эйнштейн вскоре назовет фотоном – частицей света! Всё начинает складываться!