Одним из самых распространенных терминов новой науки стал «квантовый скачок», вызывающий у обычного человека некую ассоциацию с «Большим Скачком» в лозунгах председателя Мао. Понятие возникло в результате важнейшего открытия Нильса Бора, и на его примере можно наглядно продемонстрировать отличие квантово-механических представлений от привычных нам ньютоновских. Для лучшего понимания следует вспомнить историю ядерной физики. Примерно сто лет назад, в 1911 году Эрнест Резерфорд сделал сенсационное открытие и показал, что все кажущиеся нам твердыми объекты фактически состоят из… пустого пространства (это относится и лично к вам, читатель!). Человеческое тело содержит около 30 триллионов клеток, в состав каждой из которых, в свою очередь, входят примерно 90 триллионов атомов. Так вот, результаты опытов Резерфорда убедительно и однозначно продемонстрировали, что каждый атом состоит из очень маленького ядра или центра, в котором, однако, сосредоточена практически вся его масса, и совершенно крошечных электронов (с массой лишь около 0,002 от массы протонов и нейтронов, составляющих ядро), причем эти электроны вращаются на огромных расстояниях (естественно, в ядерных масштабах). Если бы ядро было достаточно большим (например, имело вид шарика с диаметром 0,5 см), то электроны вращались бы вокруг этого шарика на расстоянии в 700 метров, что соответствует примерно горошине в центре гигантского круга, площадью в несколько футбольных полей. Ядро, в котором заключена практически вся масса атома, занимает лишь одну миллионную долю его объема (поэтому, собственно говоря, любые описания атомов остаются приближенными или условными), но несет положительный электрический заряд, равный отрицательному заряду всех электронов вместе, в результате чего атом в целом остается электрически нейтральным.

На блестящих экспериментах и гипотезах Резерфорда основана вся современная атомная физика, но вначале отношение к ним оставалось довольно скептическим, прежде всего потому, что Резерфорд был скромным молодым практикантом, приехавшим в знаменитый Кембриджский университет из Новой Зеландии. Неудивительно, что именитые английские физики, полагавшие себя единственными и прямыми наследниками или хранителями великого теоретического наследия Исаака Ньютона (в Кембридже этих профессоров называли Старыми Быками, Old Bulls), отвергали идеи Резерфорда почти без обсуждения, поскольку эти идеи явно противоречили всем законам классической ньютоновской физики. Атом с предлагаемой Резерфордом структурой действительно не имел никакого права на существование в рамках старых представлений и должен был неизбежно распадаться или «сплющиваться», в то время как входящие в его состав вращающиеся электроны были обязаны непрерывно излучать энергию и «падать» на положительно заряженное, устойчивое и массивное ядро. В классической теории ни один электрон не мог удерживаться на орбите долго, и все атомы (а за ними и вся Вселенная) должны были очень быстро схлопнуться в крошечную по объему горстку ядер.

Однако через два года Нильс Бор пробил еще одну брешь в «крепостной стене» классической теоретической физики, применив к теории атома принципы эйнштейновской теории относительности, причем применив их самым решительным образом. В своих первых работах Эйнштейн рассматривал свет в качестве волн, но уже в 1905 году (следуя Планку) стал описывать видимый свет и любое другое электромагнитное излучение как поток дискретных частиц (кстати, работы Эйнштейна по теории относительности и квантовой механике были опубликованы почти одновременно). Слово «квант» по-латыни означает порцию, небольшую часть чего-то, а Эйнштейн удачно предложил для крошечных порций светового потока термин «фотон», который быстро стал общеупотребительным.

Через два года после появления резерфордовской модели атома Нильс Бор выдвинул неожиданную и блестящую гипотезу, согласно которой электроны в атоме не падают на ядро по той простой причине, что они могут двигаться лишь по строго определенным правилам. Точно так же как кванты энергии отражают «разрывную», дискретную природу излучения, существование и движение электронов в модели Бора отражало «разрывную», дискретную природу строения самих атомов. В частности, модель предполагала, что электроны в атоме могут находиться лишь в некоторых, строго определенных энергетических состояниях, которым и соответствуют наблюдаемые и реально существующие стационарные электронные орбиты.

Гипотеза настолько противоречила представлениям классической физики, что сам Бор называл ее «сумасшедшей». Более того, существование в атоме выделенных орбит казалось противоречащим не только здравому смыслу, но и всему опыту человечества. Например, астрономы прекрасно знают, что Луна вполне может вращаться вокруг Земли по несколько иной орбите (кстати, так все и обстоит на самом деле, поскольку Луна постоянно отдаляется от Земли со скоростью около 3 сантиметров в год), а Земля вполне может сместиться в своем движении ближе к Солнцу и т. д. По гипотезе Бора движение электронов подчинялось совершенно иным законам, поскольку электрон мог совершать скачок (или квантовый переход), при котором он полностью «исчезает» на одной орбите и в то же мгновенье «возникает» на другой. Физики не понимали, как это вообще может происходить! Es muss sein! Как электрон может попадать из одной точки пространства в другую, минуя все остальные? Поведение электрона в модели Бора не соответствовало, строго говоря, даже тому смыслу, который обычно вкладывается в понятие «прыжок», поскольку его положение при переходе не определяется никакими координатами и связано с непонятными и странными для нашей логики закономерностями.

При переходе с орбиты на орбиту электрон излучает или поглощает энергию, что позволило Бору предсказать частоты спектральных линий для простейшего атома водорода и найти решение одной из важнейших задач, давно занимавшей ученых. Дело в том, что еще в начале XIX века физики и химики начали регистрировать спектральные линии и связывать их с определенными химическими элементами. На этой основе возникла обширная наука, названная спектрографией, которая широко использовалась для изучения химического состава земных и небесных объектов, несмотря на то, что никто из специалистов не понимал природу и механизм возникновения спектров различных веществ.

Квантовая механика позволила совершенно точно ответить на все вопросы спектрографии, как бы удовлетворяя извечную человеческую страсть к поиску объяснений. Из теории Бора непосредственно вытекали простые и ясные правила отбора по спектральным линиям: когда электрон исчезает или возникает (на низкоэнергетической или высокоэнергетической орбите), то он излучает или поглощает кванты, в результате чего в спектре соответствующего вещества и возникают, соответственно, темные и яркие линии. Атомы каждого химического элемента обладают строго заданными электронными структурами, что и позволяет спектрографам с высокой точностью идентифицировать химический состав вещества даже космических тел, благодаря регистрации квантовых скачков в электронных структурах образующих их элементов. Читатель легко может проверить последнее утверждение, заметив красноватый отблеск многих небесных объектов, что объясняется квантовыми переходами электронов между высшими и низшими орбитами в самом распространенном элементе Вселенной – водороде (при таких переходах излучаются кванты красной области видимого спектра).

При этом Бору не удалось дать оппонентам, конечно, никаких физических обоснований ни числу электронов, ни структуре их орбит. Он просто сумел гениально угадать некие общие закономерности и объяснить, почему и как наши приборы регистрируют некоторые реальные процессы, происходящие внутри атомов. Надо сразу подчеркнуть, что профессоров Кембриджа (тех самых упомянутых выше Старых Быков) теории Бора огорчили даже сильнее, чем эксперименты и гипотезы Ре-зерфорда. Вспомните, что каждый из них, начиная в молодости заниматься наукой, постоянно мечтал найти какие-то разумные, «взрослые» ответы на свои «детские» вопросы. Психологически эти люди ждали от науки четких и понятных объяснений наблюдаемых физических явлений, т. е. хотели выявить некую логику в законах природы. Идеи Бора казались им не только непонятными, но и нелогичными. Какое-то время в модели Бора оставались нерешенными некоторые сложные математические задачи, однако их решением с энтузиазмом занялись многие молодые талантливые физики, которым довольно быстро удалось создать стройную и серьезную теорию, ставшую фундаментом принципиально новой науки.