Безумные идеи

Ирина Радунская

Безумные идеи

Вместо введения

Двадцатое столетие застало ученых в приятном заблуждении. Им казалось, что они знают все или почти все об окружающем мире. Вдохновение Галилея, прозорливость Ньютона освободили человеческий разум от паутины, сотканной из ошибочных утверждений древних схоластов и искусственных представлений средневековья. Плечами гигантов была поднята стройная система человеческих знаний. Фундаментальная наука о неживой природе — физика — вскрыла главнейшие законы, охватывающие, как думалось, все стороны жизни вселенной. Это величественное здание, получившее название классической физики, казалось, вмещало в себя разгадки всех раскрытых и еще не раскрытых тайн природы.

На рубеже XX века это благополучие подверглось серьезному испытанию.

Классическая физика оказалась скомпрометированной тем, что она не смогла объяснить ряд вновь открытых фактов.

Она стала в тупик перед простым нагретым телом. Каждый школьник знает, что, сунув кусок вещества в огонь, его можно довести до красного и даже белого каления. Любое раскаленное вещество, если только оно не разрушится при нагреве, будет светиться. И чем выше его температура, тем более яркий свет оно излучает. Даже цвет звезд зависит от их температуры. Но когда ученые попытались понять, почему цвет излучения не зависит от их состава, формулы отказались дать однозначный ответ. Они отзывались об этом явлении самым противоречивым образом и только сбивали ученых с толку.

Попытки описать математически, как энергия нагретого тела излучается в пустое пространство, кончались разочарованием. Уравнения не давали ничего похожего на действительность. Из всех расчетов получалось: тепло так быстро улетучивается в окружающее пространство, что всего топлива, имеющегося на Земле, не хватит, чтобы вскипятить чайник! Это, конечно, противоречит опыту.

Опыт, верховный судья науки, отвергал все попытки построить теорию излучения. Классическая термодинамика и электродинамика, хорошо справлявшиеся с описанием сложнейших природных процессов, позволяющие описать работу всех известных машин, оказывались бессильными перед этой, казалось бы, простой задачей.

Проблемой занялся Макс Планк, берлинский профессор, уже завоевавший себе известность трудами по термодинамике. И он тоже начал танцевать от печки, исходя из привычной предпосылки: энергия от нагретого тела переливается в окружающее пространство так же непрерывно, как воды реки в океан.

Но и усилия Планка приводили к тем же обескураживающим выводам. Да, действительно, нагретое тело испускает лучи всех цветов: красные, зеленые, фиолетовые. Фиолетовые лучи очень жадные, они отбирают у тела и уносят с собой львиную долю энергии. И все-таки не они самые ненасытные. Ультрафиолетовые лучи и еще более коротковолновые, лежащие за ультрафиолетовой областью спектра электромагнитного излучения, должны были, подчиняясь формулам, остудить все тела в природе, охладить вселенную до абсолютного нуля!

Так расчеты Планка подтвердили ужасный вывод: мир ожидает ультрафиолетовая смерть.

Но в окружающей жизни физики не находили ни малейшего симптома столь печального исхода. Они должны были избавить и теорию от нелепого заблуждения. Этой проблемой мучился не один Планк. Многие ученые не хотели мириться с бессилием созданных ими формул.

Но недаром имя Планка до сих пор произносится с благоговением. Планк избавил физику от призрака ультрафиолетовой катастрофы.

«После нескольких недель самой напряженной работы в моей жизни тьма, в которой я барахтался, озарилась молнией и передо мной открылись неожиданные перспективы», — говорил впоследствии Планк в своем нобелевском докладе.

Молния, о которой он говорил, озарила целую область знаний о природе вещества. Это случилось в 1900 году. Рассматривая процесс обмена энергией между раскаленным телом и окружающим пространством, Планк предположил, что этот обмен совершается не непрерывно, а в виде небольших порций. Описав этот процесс математически, он пришел к формуле, в точности совпадавшей с распределением энергии в спектре Солнца и других нагретых тел. Так в науку вошло представление о минимальной порции энергии — кванте.

Обычно говорят, что Планк пришел к своему открытию случайно, что на идею введения дискретности — скачкообразности — в процесс передачи тепловой энергии он натолкнулся в результате экспериментальной математики, пытаясь добиться совпадения расчетов с опытом.

Сам Планк опровергает эту версию. Он рассказывает, что, будучи горячим поклонником крупнейшего из физиков, Больцмана, он показал ему свою работу. Она была выдержана в духе классических представлений о непрерывности тепловых и электродинамических процессов. Ответ знаменитого ученого поразил Планка. Больцман, безупречный классик, сказал, что, по его мнению, невозможно построить вполне правильную теорию процессов излучения без введения в них еще неизвестного элемента дискретности.

Несомненно, указание Больцмана помогло Планку найти путь к его великому открытию. Если в его возникновении и сыграла свою роль случайность, то в еще большей мере оно явилось закономерным диалектическим скачком в познании.

Вдумываясь в суть своей формулы и в возможности, открываемые введением кванта энергии, Планк понимал, что он выпустил из бутылки мощного джинна, способного потрясти самые основы описания природы. Он чувствовал, что не может даже оценить масштабы грядущего переворота, но инстинктивно догадывался, что его работа даст толчок лавине, которая наверняка разрушит фундамент физики, а это казалось ему опасным. Последующая история науки показала, насколько правильным было его предчувствие.

Будучи человеком консервативных взглядов, Планк медлил с опубликованием своего открытия. Оценивая его значение, он говорил, что либо оно полностью ошибочно, либо по масштабам сравнимо с открытиями Ньютона.

Коллеги Планка придерживались преимущественно первой точки зрения. Некоторые из них даже грозились отречься от физики, если «возмутительная» теория Планка не будет опровергнута.

Осенью 1900 года Планка посетил Рубене. За чаем он показал свои чрезвычайно точные измерения распределения энергии в спектре нагретого черного тела. Результаты точно совпали с формулой Планка. Это решило сомнения. Планк опубликовал свою формулу. В фундаменте классической физики появилась основательная трещина.

С самого рождения квант оказался капризным младенцем. Введенный Планком в расчет в качестве кванта энергии, он появился в окончательной формуле в виде кванта действия — величины, являющейся произведением энергии на время. Причина этой трансформации оставалась неясной. Постепенно Планк, а вслед за ним и другие ученые примирились с дискретностью энергии, но дискретность механического действия долго оставалась непостижимой.

Работа Планка не вызвала резонанса. Долгих пять лет новорожденный квант спал в своей колыбели. Понадобился гений, чтобы превратить этого младенца в Геркулеса.

Шли первые годы нашего столетия. Безвестный, с трудом получивший место эксперта патентного ведомства начинающий физик Альберт Эйнштейн упорно размышлял над тайнами фотоэффекта.

Столетов и Герц, русский и немецкий физики, подробно изучили к этому времени, как свет выбивает электроны из поверхности твердых тел. Были установлены все подробности этого явления, названного фотоэффектом. Но никто не мог понять, почему энергия вылетающих электронов не зависит от яркости падающих лучей, а определяется только их цветом. Ведь, исходя из общепризнанной волновой теории света, можно было ожидать, что энергия электронов, выбиваемых волной, зависит от силы электрического поля волны, попадающей в место, где находится электрон. Но сила поля определяется яркостью, а не цветом.