Главой 33 мы начали физику двадцатого столетия. Описанные там прямые и убедительные опыты показали, что старая картина мира с волнами для света и частицами для вещества была слишком упрощенной. Природа сложнее этих устарелых моделей: фотоны, с одной стороны, и волны де Бройля, с другой,- вот в чем основная сложность. Старая механика оказалась недостаточной. Энергия и количество движения сохраняются в каждом отдельном событии, но для описания общей картины явлений необходима волновая механика. Например, каждый электрон, попадающий на детектор, передает количество движения и энергию в согласии с законами сохранения, но чтобы узнать, куда электроны попадают чаще всего, необходима волновая картина. С помощью понятия вероятности мы нашли простую единую точку зрения, объединяющую волновое и корпускулярное поведение. Глава 33 заканчивалась, таким образом, спокойной нотой победы.
Глава 32, однако, заканчивалась неприятной загадкой. Опыты по рассеянию, в которых в качестве зондов применялись ?-частицы, показали, что атом представляет собой, ажурное строение, чем-то напоминающее гигантскую ньютоновскую махину - солнечную систему. Электроны здесь кружились совсем как крошечные планеты. Все это казалось прочно установленным, но привело к трудной проблеме. Электроны, движущиеся по своим орбитам, должны тратить свою энергию на излучение (раздел 32.5). В отличие от Земли, электрон не может очень долго оставаться на одной и той же орбите. Вместо этого он теряет энергию в виде электромагнитного излучения, точно так же как спутник теряет энергию при трении о воздух; постоянная потеря энергии должна сжимать орбиту к центру притяжения. Иначе говоря, вследствие того, что ускоренно движущиеся заряды излучают энергию, атом, построенный согласно планетарной модели Резерфорда, не мог бы быть устойчивым и мир не мог бы существовать. Эта невозможность планетарной модели ясно указала на ограниченность * классической физики. Объединение механики Ньютона и классического электромагнетизма не может правильно описать атомы.
Помимо этого основного затруднения - потери энергии через излучение - физики имели другое основание сомневаться в том, что законы механики Ньютона смогут объяснить атом Резерфорда. Солнечная и атомная системы обе могут быть планетарными, но при переходе к очень малому масштабу возникает качественное отличие.
Мы можем представить себе некую внешнюю причину (например, блуждающую звезду), которая изменит нашу солнечную систему в любой степени - малой, средней или большой - вплоть до разрушения, но когда причина возмущения будет устранена, создастся новое расположение масс. Можно представить себе солнечную систему с широким диапазоном размеров, с орбитами, массами и числом планет, отличными от наших, но столь же устойчивую, как наша. Собрание подобных солнечных систем, которые мы можем найти вокруг других звезд, будет сходно с другими объектами, наблюдаемыми в природе; подобно розам в букете или дождевым каплям, они будут обладать сильным семейным сходством, но будут солнцами и планетами различных размеров с различными орбитами; среди них не будет даже двух совершенно сходных.
С атомами обстоит дело совсем по-другому. Наиболее замечательным свойством атомов является их сходство друг с другом. Все атомы водорода вступают во взаимодействие одинаково, все атомы гелия одинаковы, и т. д. Атомы одного вида более сходны, чем бобы первого сорта. Правда, у этих атомов различные судьбы: различные эпизоды столкновений, ионизации и химических соединений сменяют друг друга. Но они проходят через все это, оставаясь неизменными, давая те же спектральные линии и вступая в те же химические реакции с теми же количествами энергии *). Атом может быть планетной системой, но он - планетная система, которая существует в мириадах тождественных экземпляров.
Тождественность атомов и устойчивость их внутренних движений необъяснима с точки зрения ньютоновских законов механики. Это свойство повторяемости требует нового объяснения, требует основательного изменения теории. При этом происходит нечто замечательное: представления, которые мы ввели, чтобы придать смысл фотонам и волнам де Бройля, одновременно дают ясное и исчерпывающее объяснение тождественности и устойчивости атомов. Для учета волнового поведения вещества мы должны изменить механику Ньютона, превратив ее в новую, квантовую механику. Тогда мы найдем путь к объяснению всего, что мы до сих пор наблюдали в строении материи. Объединенный взгляд на волновое и корпускулярное поведение охватывает все, что нам известно о природе.

*) Хотя атомы одного элемента имеют в основном одинаковое строение, они могут, как мы увидим ниже, приобретать энергию и переходить в "возбужденное состояние". Однако, в отличие от солнечной системы, которая будет сохранять любое внесенное в нее изменение, возбужденный атом, когда он предоставлен самому себе, переходит обратно в точно такое же начальное состояние.