Охотники за частицами

Надо признаться, основания для беспокойства у Планка есть. Очень радостно, просто замечательно, как результаты измерений тютелька в тютельку укладываются на новую кривую. И формула не выглядит громоздкой и отвратительно неуклюжей — почти верное свидетельство ее безошибочности!

Но… но в ее основе лежит предположение, подрывающее основы из основ старой физики. Той физики, в стенах которой вырос Планк и которой он сам отдал немало сил.

Это предположение о квантах энергии.

Классическая физика со времен Ньютона считает, что любая энергия, какое бы происхождение она ни имела, приобретается ли она, отдается ли телами — она непрерывна. Она расходуется, переносится, приобретается так же ровно и бесперебойно, как вытекает вода из крана.

Кажется даже смешным утверждать обратное. Еще никто не видел, чтобы свеча то вспыхивала, то гасла, излучая световую энергию, чтобы камень, летящий в пропасть, дергался, рывками набирая скорость и энергию.

Планк уже убежден, что так оно, в сущности, и есть. Но убедить в этом других — пусть даже только физиков! Что ни говори, а Планк беспокоится не зря.

19 октября 1900 года Планк сделал сообщение о своем открытии — квантах энергии — на заседании Берлинского физического общества. Ученые — народ вежливый, доклад Планка был встречен с «некоторым интересом». Планк на большее и не рассчитывал. Он еще сам не понимал колоссального значения своей работы.

А назавтра начинаются опять будни. Надо снова не торопясь пройти торным уже путем рассуждений и обосновать — попытаться обосновать — новую формулу. Но очень скоро Планк убеждается в том, что формула не желает обосновываться. Ей нет места в старой доброй почве классической физики.

Теперь уже не спеша проходят год за годом. Формулой Планка интересуются экспериментаторы, охотно пользуются ею в своих исследованиях теплового излучения. Но ни Планк, ни кто-либо другой не пытаются расширить поле деятельности планковских квантов.

Так проходит пять лет. И в широко известном немецком журнале «Физическое обозрение» появляется небольшая статья никому раньше не известного автора. В этой статье сотрудник швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн пытается объяснить совершенно необъяснимые свойства интереснейшего физического эффекта. Открытие этого эффекта связано опять же с именем Генриха Герца. А его исследование — с именем Филиппа Ленарда.

…Наверное, многие из вас прочли замечательную книгу Митчелла Уилсона «Жизнь во мгле». Помните одного из самых мрачных персонажей книги — профессора Ригана? Так вот, Риган — это портрет Ленарда, «пересаженного» на американскую почву. Талантливый исследователь, зараженный и в конце концов погубленный микробом неутолимого тщеславия.

Да это же драма шекспировского масштаба! Всего лишь за два года до открытия Рентгена Ленард, изучая «лучистую субстанцию», выпускает ее через тонкое металлическое окошко из разрядной трубки. И что же: она сохраняет свое действие в воздухе. Ленард получил первые рентгеновы лучи — но он не догадался об этом! Он думал, что в воздух выходят те же лучи, что и бегущие в трубке, — то есть электроны.

И лишь когда Рентген делает действительное открытие, Ленард спохватывается. Теперь он понял, мимо чего прошел. Теперь можно втихомолку локти кусать.

Ленард поступает иначе. Он начинает кричать на всех научных перекрестках о том, что первооткрытие знаменитых лучей принадлежит именно ему. Но физики не поддерживают его домогательств. Они согласны со старейшиной английских физиков Габриелем Стоксом, который ворчливо заметил, что «Ленард, быть может, открыл рентгеновы лучи в своем мозгу, тогда как Рентген направил их в кости других людей».

Так родилось озлобление. Ленард работает, но в душе он затаил ненависть ко всему научному миру. Пройдут долгие годы, и это подспудно тлевшее низменное чувство вдруг вспыхнет ярким пламенем. Вместе с гитлеровскими выродками Ленард будет рьяно изгонять из Германии «проклятую еврейскую теорию относительности» вместе с ее автором. И за измену науке, измену человечеству он получит свои иудины тридцать сребреников: гитлеровская «академия наук» торжественно переименует рентгеновы лучи в «лучи Ленарда». Что ж, Ленард достиг, чего хотел.

Он умер в 1947 году, когда советские люди уже забили осиновый кол в могилу «арийского духа» и похоронили мрачнейшую пору в истории человечества. Умер, непрощенный и забытый современниками.

Но история науки не забыла Ленарда. Она помнит, что важнейшими сведениями о фотоэффекте физика обязана ему.

Генрих Герц открыл, что ток в разрядной трубке усиливается, если освещать катод ультрафиолетовым светом. Двенадцать лет спустя, на самом пороге нового века, Ленард выясняет, что катод при таком освещении выбрасывает электроны. А еще спустя три года он обнаруживает сразу два поразительных свойства нового явления.

Оказалось, что электроны вылетают из катода лишь до тех пор, пока частота света не перейдет некоторый предел. После этого явление мгновенно исчезает — словно ножом отрезали. А если оно существует, то увеличение освещения увеличивает только число электронов, вовсе не меняя их энергию.

Оба эти свойства в корне противоречили тому, что предсказывала волновая теория света. В самом деле, не все ли равно, какая энергия поступает в металл вместе со световой волной? Раз она поступает, она должна приобретаться электронами. Она должна приводить к их вылету из металла. А чем больше эта энергия, тем большей должна быть и энергия электронов.

Между тем на опыте ничего даже близко похожего!

Кто же ответит на этот вопрос? А это зависит от того, кто первый не только воспримет новые представления Планка, но и усвоит их. Им оказался Эйнштейн.

Свет «работает» в фотоэффекте не как волны, показывает он. Свет ведет себя здесь как потоки частиц. Ударила такая частица по электрону, передала ему свою энергию — и вылетел он из металла. Но вылетел лишь в том случае, если ему передана достаточная энергия. Каждая световая частица несет с собой планковский квант энергии! Мал квант — нет фотоэффекта. А энергия кванта просто пропорциональна его частоте.

Чем сильнее свет, тем больше в нем квантов. А чем больше квантов, тем больше они могут выбить электронов, конечно, при условии, что у каждого из квантов хватит на это энергии. Ведь каждый квант света «ударяет» только по одному электрону.

Так… торжествующая победа волновой теории света над своей «корпускулярной» соперницей оказалась сомнительной. Проходит век, и та снова поднимает голову. Фотоэффект, который бессильны вызвать волны, вызывают частицы. Кажется, опять разгорится вековая война обеих теорий.

Нет, этого не произойдет. Оттого, что обнаружен фотоэффект, не перестали существовать интерференция, дифракция, поляризация света, а их никакими частицами не объяснишь. Свет — это и волны и частицы одновременно!

Но как это может быть, как это себе представить?! А представить это действительно трудно. Не один десяток лет физики двадцатого века вживались в это представление. С «частицей-волной» света — спустя двадцать лет из уст американского физика Гильберта Льюиса она получит название «фотона» — в науку вошла первая двуликая сущность. Время показало, что такой двуликости не избежать ни одному предмету нашего мира. Но об этом разговор еще впереди.

Казалось бы, фотоны могли и не ждать до 1905 года. Еще за двадцать лет до того Аристарх Аполлонович Белопольский, замечательный русский астроном, заметил, что хвосты у комет можно объяснить отталкиванием кометного вещества солнечными лучами.

Световое давление! Его действительно открывает и измеряет несколько лет спустя — не в бескрайних космических просторах, а в тесных стенах скромной лаборатории — столь же скромный Петр Николаевич Лебедев.

Град фотонов, бомбардирующих поставленную на их пути поверхность! «Застревая» в ней, отражаясь от нее, фотоны передают телу то количество движения, которым они обладали «в полете». Пусть очень слабеньким будет этот град, пусть Лебедеву для обнаружения его потребуется потрясающая по своей чувствительности аппаратура, — давление света прямо указывает на существование фотонов. Так же, как давление газа на стенки сосуда было за много лет до того объяснено существованием молекул, их ударами о стенки.