Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Как не схожи между собой эти две картины! А ведь общая энергия ветерка и града была одной и той же. Стало быть, результат зависел как бы от «внутреннего строения» потока энергии, а не только от его общей величины.

Так вот, если атомы вещества — колосья, а электроны в атомах — зерна в колосьях, то с чем сравнить падающий и поглощаемый при этом свет — с налетевшими волнами ветра или с выпавшим градом? Какое сравнение справедливей? Очевидно, надо присмотреться к судьбе, постигшей зерна — электроны.

Факты накапливаются в науке непрерывно. Задолго до Эйнштейна перед беспристрастными экспериментаторами открылась картина, которую никак нельзя было объяснить набеганием непрерывных волн энергии. Один из необъяснимых фактов выглядел особенно странно: даже самый слабый свет выбивал электроны с поверхности металла. Правда, освобожденных электронов появлялось при этом мало, но все-таки они появлялись: вызванный светом фототок едва-едва отклонял стрелки приборов, но все-таки отклонял… А ведь для ионизации любого атома — для полного разрыва связи электрона с ядром — нужна, как мы уже знаем, определенная конечная энергия, другими словами — нужен минимум энергии, ниже которого дело не пойдет! Так у волн ветерка, если он уж очень слаб, может и не хватить силенок осыпать колос. Между тем даже у самого слабого, самого неяркого потока света силенок на это всегда хватало. В чем же тут было дело?

Теперь-то мы понимаем, что все немедленно объяснилось бы, если б слабенький луч света был не тихой волной, а потоком градинок — пусть редким потоком, но все-таки потоком частиц. Тогда стало бы ясно, что отдельные его крупинки, как бы мало их ни было, умудряются попасть в электроны и передают при этом энергию, достаточную для отрыва от ядра. А чем сильнее поток света, тем больше градинок совершат такой же акт, потому что вероятность попаданий возрастет.

Надо было только по-новому взглянуть на световой поток. Только! Однако это значило посягнуть на волновую теорию света. От такого-то посягательства и предостерегал Макс Планк молодого Иоффе, когда тот взялся за развитие взглядов Эйнштейна. «Напечатаете ли вы мою статью в «Анналах»?» — спросил Иоффе у Планка. С широтою большого ученого Планк ответил, что, конечно, не будет возражать против ее опубликования, но с честностью человека, не умеющего идти против своих убеждений, заметил, что ему было бы больше по душе, если б статью принял к печати второй редактор «Анналов физики», Вин. «Я буду огорчен, — примерно так сказал Планк, — что опубликована статья, в которой сделан еще один шаг в сторону от классической теории света».

Взглянуть по-новому на световой поток означало увидеть прерывность там, где прежде, по убеждению исследователей, господствовала лишь непрерывность. А такие крутые повороты во взглядах всего труднее даются людям. Это как раз и есть то самое, что в жизни мы часто называем «ломкой сознания».

Рабочая гипотеза Планка, вопреки его глубокой приверженности к классическим представлениям, подготовила эту ломку: возникло неклассическое представление о квантах как о порциях испускаемой и поглощаемой энергии.

В физике, словно бы в магазине, появилось объявление: «Отныне энергия излучения отпускается только квантами!» Совсем как в отделе штучных товаров. Но еще думалось, что это только способ отмеривать энергию, который природа придумала по непонятному капризу, а на самом-то деле излучение непрерывно.

В поисках объяснения неклассических странностей фотоэлектрического эффекта, или проще — фотоэффекта, Эйнштейн решительно пошел на «ломку сознания». Он увидел в квантах физическую реальность. Он увидел, что свет и вправду оборачивается градом.

Так появились фотоны — частицы света.

Физически кванты и фотоны — это одно и то же, а исторически разница между ними та же, что между призывником и солдатом, замыслом и воплощением.

Но вот что интересно: сделав решительный шаг вперед, Эйнштейн вместе с тем как бы отступил назад — во вчерашний день физики.

Биография фотона неожиданно связала вчера и сегодня в истории открытия элементарных частиц материи. Это двухвековая биография. Некоторые ее эпизоды только что и разворачивались перед нами. Теперь нужно вставить в их цепь начальное звено, чтобы цепь замкнулась, как в рассказе о всяком стоящем приключении, даже если это лишь приключение ищущей человеческой мысли.

Дело в том, что за двести лет до Эйнштейна частицы света уже существовали в науке. Они появились почти одновременно с волнами Гюйгенса. Их придумал Ньютон. Этим-то он и обогатил будущих «алхимиков», не сумев ничем помочь современникам. В отличие от волновой его теория света называлась «теорией истечения». Световым частицам он дал имя — корпускулы, что значило по-латыни «маленькие тела». Оттого и теория его получила второе название — корпускулярная. Так называют и сегодня фотонную теорию Эйнштейна.

Так что же — снова подтверждается старая поговорка: «Ничего нет нового под луной»? Тем наглядней подтверждается, что и мысль-то об излучении света как об истечении особого вещества была и во времена Ньютона вовсе не нова. Мы же застали Кеплера у дверей пражского казначейства как раз за размышлением на эту тему, а он ведь умер, когда Ньютон еще не родился!

Нет, не стоит все же безоговорочно полагаться на старую мудрость. Ньютон не повторял Кеплера, а Эйнштейн — Ньютона. Верно лишь одно: спор между идеями прерывности и непрерывности — очень старый спор в физической науке.

Кеплер думал, что световое вещество истекает непрерывно и движется с бесконечной скоростью. А во времена Ньютона Ремер уже доказал конечность скорости света. Ньютону виделась иная картина, чем Кеплеру: истечение прерывистого светового вещества. И при этом световые корпускулы разного цвета представлялись ему тельцами разной величины — красные были самыми большими, фиолетовые — самыми маленькими, и, соответственно своим размерам, они двигались, по его предположению, с разными скоростями.

Что еще мог сказать Ньютон о придуманных им корпускулах? Чтобы объяснить преломление света, он сказал, что корпускулы притягиваются веществом призмы. А для объяснения отражения света он снабдил их еще и противоположной способностью — отталкиваться от вещества. В объяснении нуждалось множество явлений, и с ньютоновыми корпускулами получалось примерно то же, что с эфиром: им надо было приписывать все новые и новые противоречивые качества.

Сознавая это, а еще больше, вероятно, предвидя будущие затруднения, Ньютон так же не настаивал на своей теории истечения, как и на дальнодействии через пустоту. «Я гипотез не строю». На том и на другом настаивали его ученики. Они были, как говорят в Риме, правовернее папы.