Манжит Кумар - Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

Если рентгеновские лучи состоят из квантов, их пучок напоминает пригоршню микроскопических бильярдных шаров, ударяющих в мишень. Хотя некоторые из них, ничего не задев, пройдут сквозь мишень, другие натолкнутся на электроны в атомах мишени. Во время столкновения из-за рассеяния рентгеновский квант теряет энергию, а электрон в результате удара отскакивает. Поскольку энергия рентгеновского кванта есть E = hν, где h — постоянная Планка, любая потеря энергии приводит к уменьшению частоты, а поскольку частота обратно пропорциональна длине волны, то длина волны рассеянного рентгеновского кванта возрастает. Комптон провел тщательный математический анализ зависимости потерь энергии падающего рентгеновского луча и изменения длины волны (частоты) рассеянного рентгеновского луча от угла падения.

Никто никогда не видел отскакивающих электронов, которые, по убеждению Комптона, должны сопровождать рассеяние рентгеновских лучей. Но никто никогда и не старался их обнаружить. Когда Комптон поставил перед собой соответствующую задачу, он вскоре нашел такие электроны. “С очевидностью следует, — заявил он, — что рентгеновские лучи, как и вообще свет, состоят из отдельных элементов, двигающихся в определенном направлении. Каждый элемент обладает энергией hν и соответствующим ей импульсом hλ .” 100. Эффект Комптона (увеличение длины волны рентгеновских лучей при рассеянии на электронах) — неопровержимое свидетельство существования квантов света, которые многие считали в лучшем случае научной фантастикой. Предположив, что при столкновении рентгеновского кванта с электроном энергия и импульс сохраняются, Комптон смог объяснить свои экспериментальные результаты. Первым человеком, еще в 1916 году выдвинувшим предположение, что квант света обладает импульсом — характеристикой, свойственной частицам, — был Эйнштейн.

В ноябре 1922 года Комптон сделал доклад на конференции в Чикаго 101. Статью он послал в “Физикал ревю” еще перед Рождеством, но редакторы не смогли осознать ее значение и напечатана она была лишь через полгода, в мае 1923 года. Из-за этой отсрочки голландский физик Петер Дебай прежде Комптона опубликовал детальный анализ его эксперимента. Дебай, в прошлом ученик Зоммерфельда, направил статью в немецкий журнал в марте, но немецкие редакторы, в отличие от своих американских коллег, сразу поняли значение работы и опубликовали ее в следующем же номере. Однако и Дебай, и все остальные отдавали должное талантливому молодому американцу и признавали его приоритет. Это признание было подкреплено Нобелевской премией: Комптон получил ее в 1927 году. К тому времени название квантов света Эйнштейна изменилось. Теперь они назывались фотонами 102.

В июле 1923 года на Нобелевскую лекцию Альберта Эйнштейна пришли две тысячи человек, однако он понимал, что они явились скорее поглазеть, чем послушать. Теперь, сидя в поезде, отправлявшемся из Гетеборга в Копенгаген, Эйнштейн знал, что скоро встретится с человеком, который будет вслушиваться в каждое его слово и, возможно, не согласится с ним. Нильс Бор встретил Эйнштейна на вокзале. “Мы сели в трамвай и так заговорились, что пропустили свою остановку”, — вспоминал Бор почти сорок лет спустя 103. Говорили они по-немецки, не обращая внимания на любопытные взгляды попутчиков, и несколько раз проехали туда и обратно, не замечая своей остановки. И о чем бы они ни говорили, разговор, несомненно, должен был зайти об эффекте Комптона, о котором Зоммерфельд вскоре отозвался так: это, “вероятно, самое важное из открытий, которое можно было бы сделать при современном уровне развития физики” 104. Результаты Комптона не убедили Бора. Он отказывался поверить в то, что свет состоит из квантов, и теперь он, а не Эйнштейн, оказался в меньшинстве. Зоммерфельд не сомневался, что Комптон “отслужил панихиду по волновой теории излучения” 105.

Бор, как обреченный герой вестернов, к которым он позднее пристрастился, предпринял последнюю попытку восстать против квантов света. Он, а также его ассистент Хендрик Крамерс и гостивший у них молодой американский теоретик Джон Слейтер, предложили пожертвовать законом сохранения энергии, на котором основывалось объяснение эффекта Комптона. Если на атомном уровне этот закон не столь обязателен для исполнения, как в классической физике, то эффект Комптона не является неопровержимым доказательством существования квантов света. Известное как теория Бора — Крамерса — Слейтера (БКС), это радикальное предложение было со стороны Бора актом отчаяния, показывающим, как он относился к квантовой теории света.

На атомном уровне закон сохранения энергии экспериментально не проверялся. Это позволяло Бору надеяться, что вопрос о его применимости в таких процессах, как спонтанная эмиссия квантов света, остается открытым. И если Эйнштейн был уверен, что законы сохранения энергии и импульса справедливы для каждого отдельного столкновения, то Бор полагал, что они выполняются только как статистическое среднее. Лишь в 1925 году эксперименты Комптона, выполненные в Чикагском университете, и Ганса Гейгера и Вальтера Боте из Имперского физико-технического института подтвердили, что при столкновении фотона и электрона энергия и импульс сохраняются. Так что прав оказался Эйнштейн, а не Бор.

Как всегда уверенный в себе, Эйнштейн еще за год до того, как эксперименты положили конец дебатам, красноречиво описал сложившуюся ситуацию читателям газеты “Берлинер тагеблатт”: “Итак, сейчас имеются две теории света, ни одной из которых нельзя пренебречь. И следует признать, что, несмотря на грандиозные усилия физиков-теоретиков в течение двадцати лет, логически связать их не удалось” 106. Он имел в виду, что каждая из теорий света, волновая и квантовая, имеет собственную область применения. Кванты света нельзя использовать при объяснении таких связанных со светом волновых явлений, как интерференция и дифракция. И наоборот: не обращаясь к квантовой теории света, нельзя понять эксперименты Комптона и фотоэлектрический эффект. Свет имеет дуальную, корпускулярно-волновую природу. И с этим физики должны были примириться.

Однажды утром, вскоре после публикации статьи, Эйнштейн получил пакет с парижским штемпелем. В пакете было письмо от старого друга, который просил Эйнштейна высказать мнение о приложенной диссертации. Эта диссертация о природе материи была написана французским герцогом.

Однажды его отец сказал: “Наука — это престарелая дама, которая не боится зрелых мужчин” 1. Однако его, как и его старшего брата, наука соблазнила. Предполагали, что герцог Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль, представитель одного из самых именитых аристократических семейств Франции, последует по стопам предков. Род де Бройлей происходил из Пьемонта. С середины XVII столетия все члены этой семьи (за редким исключением) были солдатами, политиками и дипломатами на французской службе. В знак признания заслуг король Людовик XV в 1742 году пожаловал одному из предков Луи наследственный титул герцога. Виктор-Франциск, сын герцога, нанес сокрушительное поражение врагам Священной Римской Империи, и благодарный император даровал ему титул князя. С тех пор все предки де Бройля величались князьями и княгинями. Так уж получилось, что молодой ученый был одновременно немецким князем и французским герцогом 2.