Девять цветов радуги
Шрифт:
Опыт Майкельсона явился смертным приговором гипотезам о существовании эфира.
Если бы последствия этого опыта ограничились только такими выводами, то и тогда их можно было бы считать крайне значительными для науки. Однако последствия были куда более важными: факт, установленный Майкельсоном, привел к пересмотру всей классической механики, законы которой, как выяснилось, справедливы только при малых скоростях тел.
И недаром в 1887 году Майкельсон совместно с физиком Морли вновь повторил эксперимент, а затем в течение долгих лет его снова и снова со все возрастающей точностью проводили многие ученые. Некоторые из них, быть может, проводили его с тайной надеждой опровергнуть полученные результаты.
Ученые понимали, какие серьезные последствия мог повлечь за собой этот факт. Они видели, что он подрывает не только теории сами по себе, но и основы мировоззрения, складывавшиеся веками.
Выход из создавшегося положения нашел ученый Эйнштейн. В 1905 году он опубликовал свою революционную теорию относительности. За основными постулатами и формулами этой теории возникала необыкновенная картина окружающего нас мира.
Это был мир, в котором время уже не являлось универсальным пульсом беспредельной Вселенной. Часы в нем меняли свой темп в зависимости от скорости перемещения. В этом мире не было постоянных размеров: одно и то же движущееся тело имело различные размеры для разных наблюдателей. И даже масса — нечто, всегда казавшееся прочным, неизменным и неисчезающим, — приобретала новые неожиданные свойства: она тоже зависела от скорости движения тела. И, что не менее важно, масса таила в себе колоссальные запасы энергии. Массу и энергию уже нельзя было рассматривать независимо друг от друга, потому что между ними была обнаружена непосредственная связь.
Эта новая, фантастическая и не освоенная еще сознанием картина мира куда вернее отражала реальный мир, чем та, которую рисовали себе физики предыдущих поколений. К счастью, новооткрытые черты природы не противоречили старым — они лишь дополняли их и проявлялись только в тех случаях, когда скорости тел становились сравнимыми со скоростью света. При обычных же скоростях эти новые свойства можно было обнаружить с помощью самых чувствительных приборов, да и то в особых случаях; и мир снова превращался в обжитой и уютный ньютоновский мир. Классическая механика по-прежнему оставалась в нем законодательницей. Но теперь ученым были уже известны пределы ее владений: она оставалась справедливой только при скоростях, значительно меньше световых. Когда же скорость тел становилась сравнимой со скоростью света, следовало пользоваться новыми, открытыми Эйнштейном законами.
Теория относительности — великое завоевание человеческого ума, и всемирная слава не зря сопутствовала выдающемуся физику-мыслителю на протяжении всей его жизни. Но Эйнштейн создал не только теорию относительности. В том же 1905 году он, опираясь на закон Столетова и на известную нам работу Планка, объяснил явление фотоэффекта и тем самым положил начало новому пониманию процессов взаимодействия света с веществом. Если бы Эйнштейн за всю свою жизнь не дал бы науке ничего, кроме формулы фотоэффекта и ее толкования, то и этого было бы достаточно, чтобы его заслуги перед наукой не уступали заслугам многих ученых, навсегда оставивших по себе память в истории физики.
Для того чтобы отличать кванты световой энергии от прочих квантов, их назвали фотонами. Энергия фотонов (или величина квантов излучаемой энергии) меняется в зависимости от длины волны излучаемого света. В то же время она строго неизменна для данной длины волны. Мы помним также, что исследования фотоэффекта показали, что скорость выбитого из фотокатода электрона зависит только от длины волны падающего света, но не зависит от его интенсивности. Этот факт полностью противоречил волновой теории и, в частности, математическому определению энергии света, вытекающему из этой теории.
Эйнштейн, объясняя явление фотоэффекта, отказался от волновой теории — он понимал, что никакие искусственные
Вот эти уже известные нам факты:
1. Энергия (или скорость) электрона, выбитого светом из фотокатода, при освещении монохроматическим светом неизменной длины волны всегда одна и та же. Чем короче длина волны падающего света, тем больше энергия (или скорость) электрона.
2. Энергия излученного фотона при неизменной длине волны всегда одна и та же. Энергия фотона тем выше, чем короче длина волны излучаемого света.
Вот выводы, к которым пришел Эйнштейн, проанализировав эти факты:
1. Энергия фотона, проникшего в вещество фотокатода, целиком и полностью отдается только одному из электронов, находящемуся в веществе фотокатода.
2. Повышение энергии электрона, выражающееся в повышении его скорости, приводит при достаточной величине энергии фотона к вылету электрона из фотокатода. Чем выше энергия фотона, тем больше энергия (скорость) вылетевшего электрона. Последнее на языке волновой теории выражается так: чем короче волна падающего света, тем выше энергия (скорость) выбитого из фотокатода электрона.
3. Чем выше интенсивность света, тем, следовательно, больше фотонов в единицу времени падает на фотокатод, тем больше выбивается из него электронов, то есть тем больше ток.
Именно эти выводы и положены в основу объяснения явления фотоэффекта. Они позволяют создать не только качественную, но и количественную теорию этого явления.
Однако это далеко не все. Определение светового кванта — фотона, данное Планком чисто математически, ничего не говорило о физической сущности фотона; оно описывало только его энергию. Но о том, как ведет себя фотон в пространстве, каким, хотя бы очень приближенно, следует представлять его, никто до Эйнштейна не говорил. Пояснить понятие фотона Эйнштейну помогла созданная им теория относительности.
Один из важных выводов этой теории говорит, что фотон обладает массой. Правда, в отличие от обычных тел, фотон не имеет массы покоя. Его вообще нельзя мыслить неподвижным — он может перемещаться в пространстве только со скоростью света, ибо он и есть свет, вернее, частица его. Но не та ньютоновская корпускула, которая представлялась как некое мельчайшее зернышко, как некое абсолютно упругое тельце и которую вполне можно представить себе неподвижной в пространстве и неизменной во времени. Нет, фотон совсем не таков: он весь в движении, он не может существовать вне его.
И все же, несмотря на такие необычайные свойства фотона, многие признаки дали ученым право отнести его к разряду частиц и, следовательно, вновь пересмотреть свои воззрения на природу света.
В наши дни свет уже не считается волновым явлением в классическом смысле этого слова.
Как же быть в таком случае с волновыми представлениями? Неужели волновая теория неверна и от нее следует отказаться? К счастью, нет. Не только не следует, но и невозможно перечеркнуть волновую теорию. Ибо она по-прежнему верно отражает и объясняет огромное количество фактов, широкое многообразие проявлений света. Но не все. Теперь мы знаем, что волновая теория хоть и верна, но не всеобъемлюща. Иными словами, она не является универсальной теорией, так как не в состоянии объяснить, например, такое явление, как фотоэффект. Точно так же не была универсальной и теория света, в создании которой участвовал Эйнштейн. Новая корпускулярная, или квантовая, теория, дав объяснение фотоэффекта и других явлений и даже предсказав новые важные факты, столкнулась с непреодолимыми трудностями при попытке объяснить с помощью новых понятий явления интерференции и дифракции.