XIX и первые годы XX века химики и физики пытались расщеплять атомы, вырывая у них секреты. Именно эта история и поможет нам понять, как астрономы сумели расшифровать элементный состав космоса.
Квантовая радуга
Глядя на радугу, вы, может быть, замечали, что некоторые её цвета выглядят ярче других. Отчасти это объясняется тем, что человеческий глаз – не идеальный приёмник; он больше чувствителен к одним цветам, чем к другим. Но верно и то, что в свете любого источника интенсивность каждого составляющего цвета обычно не одинакова. Спектроскопия – не просто использование призмы для разглядывания цветов, составляющих белый свет; её задача в том, чтобы измерить интенсивность каждого из этих цветов. В солнечном свете, который кажется человеческому глазу белым, на деле скрывается много цветов, у каждого из которых своя интенсивность. В этом и заключается результат работы спектрометра. Задайте поисковику слово «спектр», и вы получите целый букет красивых сочетаний всех цветов радуги. А вот если вы погуглите «спектр на выходе спектрометра», вам покажут лабораторные установки и таблицы интенсивностей. Конечно, они не такие яркие, как радужные картинки, зато содержат много информации и интригующих загадок. (Только не пробуйте проверять всё это, глядя через призму на Солнце! В любой книге, рассказывающей о наблюдениях Солнца, написано, что этого делать нельзя, так что не говорите, что мы вас не предупреждали!)
Тёмные линии в спектре солнечного света ставили учёных XIX века в тупик, но и остальные части спектра тоже вызывали вопросы. Почему цвета имеют строго определённые интенсивности? Эта загадка при ближайшем рассмотрении оказалась глубже, чем на первый взгляд. Ведь устойчивые спектральные закономерности были свойственны не только солнечному свету. Спектр любого раскалённого объекта, от расплавленного железа до горящего дерева, явно зависел от температуры, до которой вещество было нагрето. Чем бы оно ни было, но, стоило ему раскалиться до одной и той же температуры, в его спектре одинаковые цвета имели одну и ту же интенсивность. Как же можно было рассчитывать объяснить природу спектральных линий, если непонятно происхождение самих спектров?
Поиски объяснения природы спектра света, излучаемого горячими телами, происходили в рамках определённой теоретической модели. Теория говорила: тело испускает свет потому, что состоит из огромного количества колеблющихся зарядов. Откуда взялась такая гипотеза? К этому времени уже было известно: свет представляет собой колеблющиеся электромагнитные волны, порождённые колебаниями зарядов. Эти представления возникли и утвердились благодаря исключительно успешному применению созданной Максвеллом теории электромагнетизма. Скорость дрожания осциллятора определяла его энергию и цвет испускаемого им света. Так что задача выглядела относительно простой: найти принцип, в соответствии с которым осциллятор дрожит именно так, чтобы породить наблюдаемый спектр. В 1900 году эту задачу удалось, наконец, решить Максу Планку, о котором мы уже рассказывали во введении.
Хотя квантовая теория и космология внутренне глубоко взаимосвязаны, истории их развития пока что не увязаны с хронологией Вселенной, которую эти науки помогли установить. В нашем рассказе мы до сих пор двигались хронологически – от рождения Вселенной до сегодняшнего дня, но при этом мы перепрыгнули через всю историю научных открытий, которая привела нас к этой хронологии. Мы уже познакомились с теми, кто разрабатывал теорию квантов – с Эйнштейном, Гейзенбергом, Паули, Нётер – но теперь пора вновь поговорить об отце квантовой физики Максе Планке. О человеке, который получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой «в знак признания его заслуг в прогрессе физики, состоявших в открытии им квантов энергии».[37]
Пора взглянуть поглубже на то, как Макс Планк положил начало квантовой революции. В 1900 году он выдвинул гипотезу квантов: энергия существует в виде дискретных порций, а не в виде непрерывных волн.[38] В то время как другие физики безуспешно пытались создать механизм образования характерного спектра излучения, Планк начал с того, что назвал «математическими фокусами». Одним из последних и было предположение, что энергия каждого осциллятора не может принимать любое произвольное значение, а должна составлять определённое количество дискретных единиц. Выходило, что существует наименьшая единица энергии – квант. Планку не нравилась эта идея – она шла вразрез с классической физикой, в рамках которой он получил образование. Но эта идея работала. Вскоре оказалось, что она распространяется и на другие необъяснённые явления. Это и было рождением квантовой физики.
Примерно в то же самое время начала проясняться структура атома. Тогда учёные знали только то, что у атомов есть плотное ядро с положительным зарядом, а электроны рассеяны вокруг него. Популярна была так называемая планетарная модель атома, в которой электроны обращались вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца. Даже сейчас, когда мы знаем, что эта картина не соответствует действительности, она в первом приближении остаётся полезной: в конце концов, мы и сегодня называем состояния электронов орбиталями. Невозможность такого представления об электронах была очевидна: движущиеся по орбитам частицы должны излучать энергию. Потеря энергии приведёт к тому, что электрон быстро потеряет скорость, почти мгновенно свалится на ядро – и атому придёт конец. Лучшая модель атома предполагала такую неустойчивость вещества, при которой оно вовсе не может существовать!
Перескочим к выводам
В то время мировым центром исследований по квантовой физике был Копенгаген – точнее, дом знаменитого датского физика Нильса Бора. Вдохновлённый квантовой гипотезой Планка, Бор предположил, что электрон не может занимать любую орбиту вокруг ядра – только определённые фиксированные орбиты. Так как электрон не может оказаться в пространстве между орбитами, он не излучает и не теряет энергию. Вещество снова стало устойчивым – по крайней мере, в теории.
Однако, хоть электрон и не может попадать в пространство между орбитами, он может менять орбиты – и делает это, совершая между ними скачки. Согласно модели Бора, он просто исчезает с одной орбиты и мгновенно возникает на другой. Однако между орбитами существует разность энергий. Куда же энергия электрона девается или откуда берётся? Она переходит в свет! Когда электрон перескакивает с более высокого энергетического уровня на более низкий, излучается квант энергии в виде света. Эта энергия связана с осцилляциями электрического поля, как и предсказывал Эйнштейн, когда применял квантовую гипотезу к свету. Таким образом, энергия света прямо пропорциональна его цвету. А так как существуют только определённые разрешённые уровни энергии, а все атомы одинакового вида идентичны, испускаемый ими свет всегда состоит из одного и того же дискретного набора цветов.
Например, если энергетически возбудить облако гелия, вскоре после этого оно начнёт испускать свет, но только определённых конкретных цветов – в определённых спектральных линиях. Энергии этих линий точно соответствуют разностям энергетических уровней, разрешённых моделью Бора. Разрешённые энергетические уровни различны для каждого элемента: