Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

поле энергия электрона в атоме меняется, причем в зависимости от имеющихся у электрона квантовых чисел: интенсивности вращения и компоненты количества вращения вдоль магнитного поля m, а также компоненты спина вдоль магнитного поля (она часто обозначается sz). Без магнитного поля состояния с разными , m и sz имели одну и ту же энергию, но теперь их энергии различаются. Длина волны света, который излучается или поглощается атомом, определяется разностью энергий в состояниях «до» и «после», и поэтому свет, испускаемый атомами в магнитном поле, несет на себе следы этого магнитного поля, причем очень ясные. Спектральные линии расщепляются: вместо одной линии, говорящей об излучении на одной длине волны, в спектре появляется несколько близких линий[229].

Исторически спин электрона был, собственно говоря, открыт в попытке разобраться, что за ерунда происходит с расщеплением некоторых линий в магнитном поле: они вели себя не так, как полагалось бы только из-за зависимости энергии от m и (не очень простой) зависимости от . Да и сама картина с числами и m в тот момент не получила еще окончательной ясности, хотя многое было уже угадано. И уж конечно, в момент открытия спина электрона глубина всей истории про спиноры никак не осознавалась. Ростки будущего знания пробивали себе дорогу с первой половины 1920-х гг., участники событий двигались на ощупь, проявляя недюжинную наблюдательность и остроту ума.

О чем забывают историки – да и физики тоже – это что в открытиях в физике очень, очень большую роль играет случай, удача. Конечно, мы не всегда это признаем. Если кто-то богат, он говорит: «Да, я был умным, поэтому я и богат». И то же самое говорят про тех, кто сделал нечто в физике: «Да, действительно умный парень…» Надо, конечно, признать, что есть и такие случаи, как Гайзенберг, Дирак и Эйнштейн, – исключения случаются. Но для большинства из нас удача играет очень важную роль, и об этом не надо забывать.

А все это имеет отношение к делу, потому что, когда я прибыл в Лейден, я в конце концов попал к Эренфесту.

Это воспоминания Гаудсмита – одного из двух первооткрывателей спина электрона. Эренфест, который руководил работой 23-летнего Гаудсмита, занимался не только «теорией спектров», которая выросла в квантовую механику, но и в течение многих лет развивал науку об энтропии, продолжая дело Больцмана, – и в конце концов повторил его судьбу. Он же и придумал слово «спиноры». Насколько я могу судить, Эренфест был в тот период быстрого создания нового знания такой фигурой, что его присутствие и вовлеченность немало способствовали прогрессу. Именно он летом 1925 г. определил Гаудсмита работать совместно с 24-летним Уленбеком, как раз приехавшим из Рима после некоторого перерыва в занятиях наукой из-за того, что он обучал детей голландского посла в Италии. Несколько северо-восточнее в июле того же года Гайзенберг, спасаясь от сенной лихорадки на острове в Северном море, придумал первую полноценную версию квантовой механики. До появления уравнения Шрёдингера остается примерно полгода; все заняты угадыванием структуры атомов исходя прежде всего из спектров. Гаудсмит продолжает:

Поскольку [Уленбек] ничего не знал, но так хорошо соображал, он задавал всякие вопросы, которые сам я никогда не формулировал, и из этих совместных усилий по прояснению вещей возникло несколько, как мы теперь понимаем, важных результатов. Одним из первых таких результатов стала новая интерпретация спектра водорода.

Некоторые из линий, наблюдаемых в спектрах в магнитном поле, находились согласно имевшимся представлениям не на месте, а некоторых и вовсе не должно было быть. Упоминаемые далее Ланде и Пашен фигурируют в рассказе, потому что они были авторитетными источниками знания о спектрах.

Забавно, что поскольку я знал все эти правила для интенсивностей и все такое, я уже додумался до правильных формул. В этом и был мой вклад – в том, что я знал, какие формулы надо брать. Надо было взять классическое выражение и вместо целых квантовых чисел подставить полуцелые квантовые числа и еще кое-что поменять. Это было похоже на волшебство, однако все точно сходилось, и что я, поверите ли, находил особенно восхитительным, так это что «запрещенная» линия, которую наблюдал Пашен, оказалась уже не запрещенной, а естественной спектральной линией, которая должна была присутствовать, и это меня необычайно радовало.

‹…› Настал день, когда мне пришлось рассказать Уленбеку про принцип Паули – разумеется, используя при этом мои собственные квантовые числа, а Уленбек сказал мне: «Ну ты же видишь, что отсюда следует? Это значит, что у электрона имеется четвертое квантовое число. Оно выражает то, что у электрона есть вращение, что он вращается». И еще я могу точно вам сказать, где пролегала грань между мной и Уленбеком как физиками. В течение всего того лета, когда я рассказывал Уленбеку о Ланде и Гайзенберге, например, или о Пашене, он спрашивал: «А кто это?» Странно, но он никогда раньше о них не слышал. А когда он сказал: «Это означает четвертую степень свободы», я в ответ спросил его: «А что такое степень свободы?» В любом случае, когда Уленбек высказал свое наблюдение, везение состояло в том, что я знал все эти штуки про спектры…

Гаудсмит и дальше, не без голландской (само)иронии, поддерживает впечатление легкости. Однако не надо забывать, что они предлагали нечто, явным образом противоречившее установленной картине мира. Упоминаемый ниже Лоренц – авторитет из авторитетов за свое глубокое и всестороннее понимание (и вклад в создание) этой картины мира.

Вот и все – получился спин. Так его и открыли, таким вот образом. ‹…› В строгую физику, стоявшую за всем этим, я глубоко не погружался. Но Уленбек, который был хорошим физиком, начал раздумывать об этом… «Заряд, который вращается?»… Он говорит, что отправился тогда к Лоренцу, а тот сказал: «Да, тут большие сложности, потому что собственная энергия электрона получается тогда неправильной». ‹…›

Мы как раз написали короткую статью на немецком и отдали ее Эренфесту, который хотел послать ее в Naturwissenschaften. Тогда, как