Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Планк установил непреложную истину — излучение энергии возможно только в виде сгустков определенной величины. Эйнштейн показал, что, будучи излученными, они продолжают существовать в форме сгустков электромагнитной энергии, которые позже назовут фотонами. Это будет проявлением нового процесса, незнакомого макромиру, где мельчайшие квантовые сгустки энергии невозможно ощутить порознь и изменения энергии представляются непрерывными. Поэтому-то формулы классической физики, описывающие непрерывные процессы, отказались работать уже на пороге микромира, к которому подошли исследователи занявшись проблемой излучения абсолютно черного тела. Планк нащупал истину интуитивно, пытаясь согласовать формулу излучения абсолютно черного тела с результатами опыта. Чтобы согласовать теорию с реальностью, он ввел
Очень важный момент творчества — интуиция вывела ученого на правильную дорогу, он этого еще не понимает, протестует, сопротивляется. Интуиция помогает человеческому разуму, воспитанному на традициях, а порой и на предрассудках, преодолевать их. Именно интуиция заставила Планка ввести в формулу излучения коэффициент, отражающий дискретную, квантовую структуру энергии.
Планк еще не прозрел истину. Продолжал поиски в традиционных для классической физики рамках… Он даже не подозревал, куда заведет его уступка математической логике. Пока он думал удовольствоваться малым. Для того чтобы понять смысл полученной им формулы излучения абсолютно черного тела, требовалось уточнить значение двух постоянных величин, правильная оценка которых обеспечивала совпадение формулы с опытом.
Исследования показали, что первая постоянная может трактоваться как известная ранее универсальная газовая постоянная, отнесенная к одной молекуле. Планк вычислил ее, а вскоре многие искусные экспериментаторы подтвердили правильность расчета.
Гораздо труднее было со второй постоянной. Она, по тогдашним представлениям Планка, определяла «элементарные области вероятности». Элементарные ступеньки изменяющейся вероятности… На чем основывались эти туманные представления?
При выводе формулы, эквивалентной формуле Релея, Планк прибег к формальному приему. Он заменил интегрирование суммированием. Перешел от непрерывной математической операции к дискретной, как бы заменил подъем по непрерывной кривой движением по ступеням лесенки. Но если непрерывная кривая Релея беспредельно поднималась в направлении коротких волн, вела к ультрафиолетовой катастрофе, то подъем лесенки можно было ограничить и тем заставить второй член формулы в области коротких волн уступить место первому члену.
Удивительным оказалось то, что вторая постоянная выглядела как произведение некоторой энергии на время. Такое произведение встречается в механике и называется действием. Поэтому Планк решил назвать эту постоянную не элементом вероятности, что могло показаться совсем непонятным, а элементом действия или квантом действия. По-немецки Quantum — количество. Слово происходит от латинского quantum — сколько. А теперь оно означает порцию и входит в определение миниатюрных порций целого ряда квантованных физических величин. Планк обозначил эту постоянную буквой h (аш). Теперь она называется постоянной Планка. Величина ее очень мала, научное значение — колоссально.
14 декабря 1900 года Планк на заседании Берлинского физического общества сделал доклад «К теории закона распределения энергии в нормальном спектре». Никто из слушателей не подозревал, что начинается новая эра в науке. Классическая физика, конечно, не завершилась с концом века. Но за две недели до начала нового, XX века родилась ее дочь — квантовая физика. Даже ее отец не понимал значения совершенного им.
Придав конкретный, физический смысл обеим постоянным, Планк, однако, не мог успокоиться. Их смысл оставался формальным. Нужно было понять, что они означают в действительности. Понять — это значило (тогда, а для многих означает и теперь) объяснить в рамках классических понятий. Вывести из законов классической физики.
Особенно тревожно обстояло дело с квантом действия.
Ведь для действия — произведения энергии на время — не существовало закона сохранения, подобного закону сохранения энергии или закону сохранения импульса. Действие могло, в соответствии с законами механики, изменяться произвольно и даже исчезать. Почему же здесь, выйдя за пределы механики в термодинамику и физику излучения — электродинамику — действие стало изменяться скачками?!
Стремясь к объяснению в духе классических понятий, Планк обрек себя на новые мучения. Все попытки понять суть дела оставались тщетными. Правда, пока рассматривались процессы медленные, протекающие с большими энергиями, все было в порядке. В этих случаях можно считать вторую постоянную бесконечно малой и трактовать процессы как непрерывные. Попросту не замечать ступенек, заменять лесенку плавной кривой. Так поступала классическая физика. Но если энергия была не велика или процессы происходили быстро, то соответствующее действие становилось соизмеримым с величиной таинственной постоянной, и возникали парадоксы типа ультрафиолетовой катастрофы. Несколько лет самого напряженного труда не позволили Планку примирить квант действия с понятиями классической физики.
Воспитание и стремление к традиционному мышлению сделали Планка консервативным человеком. Возникшая ситуация принесла ему много страданий: между квантом действия и классической физикой была пропасть. Но позже он оценил свои результаты оптимистически. В различных публикациях его отношение к кванту не вполне одинаково. В «Научной автобиографии» суть дела выражена одной фразой: «Провал всех попыток перекинуть мост через эту пропасть вскоре не оставил более никаких сомнений в том, что квант действия играет фундаментальную роль в атомной физике, и с его появлением в физической науке наступила новая эпоха, ибо в нем заложено нечто, до того времени неслыханное, что призвано радикально преобразить наше Физическое мышление, построенное на понятиях непрерывности и причинных связей с тех самых пор, как Ньютоном и Лейбницем было создано исчисление бесконечно малых». Опыт, этот высший судья, решил в микромире в пользу второй, квантовой альтернативы. Но понимание микромира в терминах классических понятий так и не возникало. За дело взялись молодые и пошли дальше.
Планк не признает свое отцовство
Первым, после пяти лет всеобщего молчаливого непонимания, сказал свое слово Эйнштейн. Он, подобно богу, сотворившему Еву из ребра Адама, сотворил из кванта действия квант энергии.
Если из формулы Планка вытекало, что электромагнитное поле, взаимодействуя с веществом, передает ему или получает от него энергию порциями, то Эйнштейн установил, что эти порции продолжают существовать в пространстве как своеобразные атомы излучения, кванты света. Впоследствии Комптон окрестил их фотонами.
Такой взгляд позволил Эйнштейну объяснить таинственный фотоэффект, при котором световые волны выбивают из вещества электроны. И делают это не так, как океанская волна, которая лижет и точит камень постепенно и незаметно. А как пуля, выбивающая из камня осколки.
Опыт говорил, что фиолетовый свет легко выбивал электроны, как ни мала интенсивность света. Но красный свет, даже при огромной интенсивности, мог действовать на металл сколь угодно долго, не выбивая ни одного электрона. Объяснить это свойствами волн невозможно. При помощи квантов света это выглядит просто и наглядно. Кванты красного света несут малые порции энергии. Каждый из них не способен передать электрону энергию, нужную тому для того, чтобы вырваться из металла. А каждый квант летит и падает на металл независимо от других. Практически невероятно, чтобы два кванта одновременно воздействовали на один электрон. Энергия же фиолетового кванта (она почти вдвое больше, чем у красного) достаточна для того, чтобы он мог в одиночку освободить электрон.
Любопытная деталь — зная о работе Планка и ссылаясь на нее, Эйнштейн тем не менее поначалу считал, что Планк идет другим путем. В одной из статей он писал: «Тогда мне показалось, что теория излучения Планка в известном смысле противостоит моей работе». Но длительные размышления привели Эйнштейна к уверенности, что теория Планка неявно использует гипотезу реального существования световых квантов. Эйнштейн дважды упоминает об этом в статье. Но он заблуждался. Планк не только не думал о квантах света как реальных, существующих в пространстве порциях электромагнитной энергии, но в течение многих лет не признавал квантовую теорию света и никогда не считал себя причастным к ее созданию!