Ирина Радунская - Кванты и музы
Представление о простейших неделимых атомах позволило древним мудрецам нарисовать картину вечно изменяющегося мира. Они учили: мир — это атомы и пустота. Но позднее боязнь пустоты заставила Аристотеля отвергнуть мысль о существовании атомов. Пространство, считал он, сплошь заполнено материей. Эту материю он назвал эфиром. Точка зрения великого философа просуществовала века…
Такое же ложное ощущение истины создалось у людей и по отношению к природе света. Луч света ещё от Евклида считался символом прямой линии. Но ни один из мудрецов не мог объяснить, как прямая линия, не изгибаясь, может оббегать препятствия и в чём тайна семицветной радуги…
Уже Роджер Бэкон предчувствовал волновую сущность оптических явлений. И величайшие оптики всех времён — Гюйгенс, Гримальди, Френель — верили, что свет — это волны заполняющего мир океана материи, волны эфира. Одни считали свет продольными волнами эфира, другие — поперечными, некоторые говорили о натяжении эфирных струп, фантазировали об игре эфирных вихрей.
Только Ньютон заговорил о частицах света, корпускулах, которые могут распространяться в пустоте без помощи эфира. Но он же интуитивно почувствовал, что многообразие оптических явлений не может быть непротиворечиво объяснено ни на основе корпускул, летящих в пустоте, ни при помощи волн в океане светоносного эфира. Он склонялся к признанию корпускул, но понимал, сколь трудно примирить их с явно периодическими явлениями, проявляющимися в поведении света, со многими свойствами света, которые Ньютон подробно изучил при помощи опытов и описал математическими формулами.
Ньютон поставил проблему волн и корпускул перед потомками в серии вопросов, завершавших его замечательную «Оптику». Это был XVII век, а в следующем веке волновая теория света, опирающаяся па эфир и построенная Гюйгенсом, а затем усовершенствованная Френелем, вытеснила корпускулярную теорию Ньютона. Решающим аргументом послужила возможность объяснить всё разнообразие известных явлений при помощи одной-единственной гипотезы: свет — это поперечные колебания эфира.
Если не идти глубже, не пытаться понять, что такое эфир, то теория Гюйгенса — Френеля не только не приводила к противоречиям, но укреплялась, встречаясь с любыми возражениями и парадоксами. Так, например, Пуассон, на основании теории Френеля, рассчитал, что на экране — в центре тени от непрозрачного диска — должно периодически появляться светлое пятно. Это пятно должно пунктуально возникать и исчезать по мере отодвигания диска от экрана, на котором наблюдают его тень.
Но Пуассон, серьёзный и авторитетный учёный, заявил: этого не может быть!
Для рассмотрения работы Френеля Академия наук назначила специальную комиссию. В неё помимо Пуассона входили выдающиеся ученые: Араго, Био, Гей-Люссак и Лаплас. Комиссия согласилась с Пуассоном в том, что нельзя поверить в это предсказание, а значит, следует отвергнуть теорию Френеля, если… если он не подтвердит столь невероятное предположение опытом…
Такова судьба любых утверждений, построенных на гипотезах. Один-единственный опыт может опровергнуть все. Сколько заманчивых гипотез было опрокинуто экспериментом! Но в данном случае было не так.
Араго помог Френелю провести решающий эксперимент, и члены комиссии собственными глазами увидели периодическое появление света там, где «здравый смысл» предсказывал полную тень!
Казалось, теперь ничто не способно опровергнуть волновую теорию света. Тем более что после трудов Максвелла она, по существу, избавилась от последнего родимого пятна — от эфира. Уравнения Максвелла, хотя это было понято не легко и не быстро, сделали эфир излишним в волновой теории света. Свет, как частный случай электромагнитных волн, оказался самостоятельной субстанцией, способной существовать без помощи эфира, прямо в пустоте. Однако эта точка зрения продержалась недолго. Люди никогда не довольствуются достигнутым. Учёные не составляют исключения, а дороги науки не остаются подолгу прямыми.
Научившись сворачивать радужную полоску спектра в белый свет, Ньютон не только заложил основу экспериментальной физики, но и подвёл мину замедленного действия под здание воздвигнутой им же классической физики.
Исследования Ньютона дали толчок тому, что в конце концов превратилось в спектральный анализ — способ вещества на основе исследования свойств излучаемого или поглощаемого им света. Возник пристальный интерес к процессам взаимодействия света с веществом.
В середине XIX века начала интенсивно развиваться новая наука — термодинамика, возникшая как реакция на необходимость совершенствования паровых машин и на неудачи творцов вечных двигателей.
Попытки сочетать между собой эти две области науки и столкновение точек зрения термодинамики и спектрального анализа — привели в конце XIX века к удивительной ситуации, получившей наименование ультрафиолетовой катастрофы. Расчёты показывали, что, вопреки очевидности, нагретые тела не должны излучать видимого света. Если они и способны испускать электромагнитные волны, то лишь самые короткие, лежащие далеко за пределами фиолетового края солнечного спектра. Там, по предсказанию формул, уходит в ничто энергия нашего мира…
Отчаянные попытки крупнейших физиков рассеять призрак ультрафиолетовой катастрофы, сочетать теорию с опытом, не приводили к успеху. Выход в канун прошлого века нашёл немецкий физик Планк. Впоследствии, в своей нобелевской лекции, он говорил:
«После нескольких недель самой напряжённой в моей жизни работы тьма, в которой я барахтался, озарилась молнией, и передо мною открылись неожиданные перспективы».
Планк понял, что, несмотря на кажущуюся абсурдность его догадки, на очевидную противоречивость привидевшегося ему процесса, обмен энергией между световыми волнами и веществом происходит не непрерывно, на чём основывались прежние формулы, а малыми конечными порциями. Это вполне соответствовало бы ньютоновским корпускулам, но это никак невозможно представить, если продолжать считать, что свет — волны. Кроме того, если свет — волны, давно произошла бы ультрафиолетовая катастрофа, из мира ушло бы всё тепло.
Значит, энергия в природе передаётся не непрерывно, а толчками, квантами. Именно такой механизм существования энергии спасает мир от гибели…
Эта сенсация разделила всех учёных на два лагеря — верящих в точку зрения Планка и яростно ей сопротивляющихся. Сам Планк оказался во втором лагере. Он себе не верил…
Положение ещё более осложнилось неудачными попытками объяснить явление фотоэффекта, открытое также в конце XIX века Столетовым. Оно заключалось в том, что под действием света из металла вылетали электроны, вылетали подобно осколкам камня из стены, в которую ударяет пуля. Было очевидно, что свет способен вырывать электроны из поверхности металла, освобождать их поодиночке.
Снова опыт заставлял учёных отнестись серьёзно к мысли о прерывистой сущности света, снова намекал на его дробность.
В этих опытах по взаимодействию света и вещества была одна многозначительная тонкость: вероятность вылета электрона зависела не от силы света, а от его цвета. Более того, если цвет приближался к красному концу спектра, наступал момент, когда электроны не вылетали из металла вовсе — как ни увеличивали экспериментаторы интенсивность облучения.
Учёные в недоумении разводили руками — сильный красный свет ничего не мог поделать с электронами, тогда как фиолетовый, даже совсем слабенький, легко и непринуждённо вылущивал из тела металла электрон за электроном! Учёные ещё просто не осознали, что кван ты света, расположенного ближе к фиолетовому концу солнечного спектра, имеют большую энергию, чем кванты красного, розового и других более «тёплых» световых лучей.
Им надо было решить сразу две загадки: почему фотоэффект зависит от цвета облучающего вещество света и как свет, если он волна, взаимодействует с каждым электроном по отдельности?
Явление фотоэффекта не поддавалось разумному объяснению, если упорно стоять на одной позиции: считать свет волнами. Так могло быть только при двух условиях. Первое — если бомбардировка металла производится «пулями» света — тогда каждая «пуля» может взаимодействовать с электроном один на один. Второе условие — если световые «пули» обладают разной энергией. И этой энергии должно хватить для вырывания электрона. То есть энергия «пули» должна соответствовать или быть больше энергии, с которой электрон удерживается в теле металла.
Так обстоятельства вынудили физиков пойти на компромисс: признать, что волна света (хотя бы перед тем, как ударить в металл) дробится на отдельные цветные «пули». И каждая «пуля» выбирает себе жертву по «зубам», вернее, по цвету.
Это был только подступ к истине. Истину понял лишь Эйнштейн. Он предположил, что свет вовсе не дробится на отдельные порции перед тем, как упасть на металл, а существует в такой форме. Это его естественное состояние, его природа. С самого момента излучения, то есть рождения, он представляет собой отдельные порции электромагнитной энергии — кванты света, или фотоны, как их теперь называют по предложению Комптона.
