Этюды о свете

Началась эра квантовой теории.

Главная идея Планка сводилась к тому, что излучение дискретно, оно испускается отдельными порциями — квантами, энергия которых кратна величине новой константы.

При вручении Планку Нобелевской премии член Шведской Королевской академии наук Экстранд заявил, что пройдет еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, добытые его гением. Но уже в 1911 году на I Сольвеевском конгрессе Планк сказал, что поиск законов излучения нельзя признать полностью удовлетворительным и что решение проблемы возможно лишь путем введения новой гипотезы, которая прямо противоречит основным представлениям. В нобелевской речи он заявил, что введение кванта действия еще не создает истинной теории квантов. А в 1943 году писал: возникла важнейшая проблема — «этой странной константе придать физический смысл».

Казалось бы, этот смысл уже найден. В учебной и научной литературе постоянная Планка характеризуется как квант действия, фундаментальная физическая константа, определяющая широкий круг явлений, для которых существенна дискретность величин с размерностью действия. Называют ее и масштабом делимости энергии кванта, коэффициентом пропорциональности. Наиболее точное значение величины константы получил нобелевский лауреат английский физик Брайан Джозефсон на основе эффекта протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой изоляторов — эффекта, названного впоследствии его именем. Эта величина — 6,626176(36)·10⁻²⁷ эрг·с.

Однако этого было явно недостаточно, чтобы ответить хотя бы на простые вопросы Ореста Хвольсона, автора всемирно известного курса физики: почему константа Планка так важна? Почему она вторгается, чтобы не сказать — суется, во все возможные физические явления? Что такое постоянная Планка?

«Неизвестно и непонятно!» — восклицал Хвольсон.

И мы можем лишь вторить ему.

Сам Планк называл открытую им постоянную таинственным вестником из реального мира. Таинственной называл ее и де Бройль, сетуя, что современная квантовая механика не стремится истолковать смысл константы.

Так, например, по-прежнему неизвестно, какой объект природы характеризует собой величина постоянной Планка. Получается нечто вроде улыбки Чеширского Кота из сказки Льюиса Кэрролла об Алисе в Стране чудес: величина чего-то есть, она установлена с точностью до восьмого знака после запятой, а самого «чего-то» как бы и нет. Оказывается, такое случается не только в сказке, но и в физике.

Приходится признать, что современная квантовая теория, несмотря на все ее достижения, зиждется не на капитальном фундаменте, а на двух весьма знаменитых, но чрезвычайно запутанных понятиях: кванта неизвестного содержания и константа, которой еще надо придать физический смысл.

И вот теперь, после всех этих блужданий в теоретических туманах, читатель, вероятно, будет сильно удивлен, если ему сообщить невероятный, но вполне достоверный факт: еще в начале прошлого века были даны объяснения и физическому смыслу постоянной Планка, и материальному ее носителю.

В 1905 году Эренфест показал, что величина постоянной Планка — это величина мельчайших частиц энергии, составляющих излучения. В 1911 году на Сольвеевском конгрессе Пуанкаре говорил, что величину постоянной Планка можно понять как атом энергии, поскольку она сохраняется неизменной. А Иоффе называл такие мельчайшие частицы энергии атомами света. Да и сам Планк в 1910 году предложил новую гипотезу, по которой излучения испускаются дискретными квантами с величиной константы. В 1924 году он предложил также принять, что энергия одного отдельного колебания источника света равна одному кванту.

Оставался лишь один шаг до великого открытия, равного открытию рентгеновских лучей, электрона и радиоактивности. Надо было просто признать существование в природе атома энергии, выраженного в полном соответствии с опытом величиной постоянной Планка.

Тогда этот шаг сделан не был.

В своем докладе на Сольвеевском конгрессе Планк отказывался от кванта энергии и говорил о постоянной с размерностью действия. Он неоднократно подчеркивал, что квантовая гипотеза является гипотезой не об энергии, а о действии, что она должна основываться не на элементах энергии, а на элементах действия. И хотя Пуанкаре и Лоренц возражали ему, сомневаясь в возможности сохранения действия, которое связано со временем, идея кванта действия все же возобладала над идеей атома энергии. Факт сохранения энергии, присущий понятию атома энергии, не стал доминирующим в характеристике константы, имеющей численное значение величины этой самой энергии.

Постоянная Планка в качестве самой маленькой «матрешки» современной физики остается таинственным вестником из реального мира.

В октябре 1871 года в лекции по экспериментальной физике Максвелл говорил: «Может быть, мы ошибаемся. Никто еще не видел отдельной молекулы и не имел с ней дела. Однако идея о существовании бесчисленного множества отдельных частиц, неизменных и подобных друг другу, проникнув в человеческое сознание, не может оставаться бесплодной».

Это замечательное рассуждение в равной степени может быть отнесено и к идее атома энергии света.

ЧУДЕСНЫЙ ДАР ПРИРОДЫ

Уравнения Ньютона описывают тяготение и движение, не вдаваясь в объяснение природы их сил. Если последовать этому примеру, то свет в наиболее общем виде можно рассматривать просто как лучистую энергию.

В статье «О природе света» Планк писал: «Конечно, природа электромагнитных явлений нисколько не яснее, чем природа оптических явлений. Но тот, кто считал бы недостатком электромагнитной теории, что она ставит одну загадку на место другой, обнаружил бы непонимание смысла этой теории. Значение ее заключается в том, что она объединяет в одно целое две области физики, которые приходилось раньше рассматривать отдельно друг от друга… Оптика не могла быть включена в механику, но вместо этого она целиком слилась с электродинамикой. Это — предпоследний шаг на пути к единству физической картины мира. Когда и как будет сделан последний шаг — слияние механики с электродинамикой — в настоящее время еще не вполне ясно».

Быть может, этим шагом станет рассмотрение света как лучистой энергии с опорой на физические основы механики, которая отвлекается от вопросов происхождения сил? Новая область науки — физическая механика — объединяет общие проблемы использования микропроцессов при объяснении макросвойств изучаемых явлений и сред.

Правомерность такого подхода подтверждает описание света как лучистой энергии в трудах Умова и Бора, в теории ее переноса Чандрасекара. Рассмотрение объектов в наиболее общем виде применяет и математика.

Но поскольку математического аппарата для описания элементов глубинных структур материального мира пока нет, а принцип непрерывности, как заметил фон Нейман, возникает в прерывном по существу мире лишь в процессе усреднения, то допустимо в первом приближении ограничиться соотношениями типа А=Б, к которым в конечном счете сводятся все уравнения и их словесные формулировки.

Все излучения, будь то радиоволны, видимый свет или жесткие гамма-кванты, представляют собой элементарные продукты колебаний излучателя — электрона, атома вещества или молекулы. Каждое их колебание генерирует одну мельчайшую дозу лучистой энергии. Сколько произведено за время испускания кванта света колебаний — столько же появилось и таких доз энергии. После отрыва от источника они представляют собой пунктирную цепочку, подобную пулеметной очереди. Только вместо пуль — атомы энергии. Это, по всей вероятности, и есть квант света — фотон.

Знаменитая и широко известная формула кванта энергии подтверждает достоверность такого предположения физической сущности фотона. Она показывает в полном согласии с опытом, что в кванте света содержится столько же величин постоянной Планка, сколько раз колебался источник света, какова была его частота. Отсюда с необходимостью следует, что величина кванта энергии есть произведение величины постоянной Планка на частоту света, то есть на число колебаний источника за время испускания фотона.