Текст книги "Пуанкаре"

Автор книги: Алексей Тяпкин

Соавторы: Анатолий Шибанов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 34 страниц)

Глубокий кризис

Намереваясь посвятить себя физике, будущий великий физик-теоретик Макс Планк в 1875 году обратился за советом к декану физического факультета Мюнхенского университета. «Физика – область знания, в которой уже почти все открыто. Все важные открытия уже сделаны. Едва ли вам имеет смысл поступать на физический факультет» – такую бесперспективную картину нарисовал ему авторитетный профессор.

Меньше всего ожидалось, что это безмятежное состояние завершенности физики как науки может быть нарушено какими-либо сенсационными экспериментами. Возникнув в результате анализа и обобщения первоначальных опытных данных, физика давно уже превратилась в точную математическую науку, значительно опередив технические возможности эксперимента. Экспериментаторам предназначалась как будто бы незавидная роль: непрерывно уточнять свои же результаты, удивляясь безотказности всегда подтверждаемых теоретических предсказаний. В лучшем случае они могли открывать некоторые новые особенности уже известных физических явлений, недостаточно подробно изученных теоретическими методами. Поэтому велико было всеобщее изумление, когда именно со стороны экспериментов последовало первое потрясение основ классической физики.

Теория классической физики оказалась совершенно беспомощной перед опытами, в которых были установлены особенности распространения света в движущихся системах. «Отрицательный» результат опыта Майкельсона – Морли, доказав принципиальную неуловимость, ненаблюдаемость эфира, исключил последние возможности традиционного, согласующегося с законами классической теории объяснения экспериментально установленных свойств света. Эксперимент Брадлея, в котором наблюдалась аберрация звездного света, вызванная движением Земли вокруг Солнца, и эксперимент Физо, в котором устанавливалось частичное суммирование скоростей при распространении света в движущейся воде, совершенно исключали гипотезу полного увлечения эфира движущейся Землей, как будто бы согласующуюся с результатом опыта Майкельсона – Морли. Вся совокупность этих опытов в целом создавала безвыходную ситуацию в физике конца XIX века.

Кризис физической теории, вызванный проблемой объяснения установленных на опыте свойств света, усугубился неожиданно последовавшими как из рога изобилия величайшими экспериментальными открытиями совершенно новых и удивительных явлений. Начиная с 1895 года, когда Рентген открыл проникающие лучи, буквально каждый следующий год приносил ошеломляющее открытие: 1896 год – открытие явления радиоактивности, 1897 год – открытие электрона, 1898 год – открытие радия и полония, 1899 год – открытие сложного состава радиоактивного излучения. Пуанкаре пристально следил за крутой ломкой, происходящей в физике конца XIX века, нередко первым регистрируя наиболее острые моменты, как, например, обнаружение кажущегося несохранения энергии при радиоактивном распаде. Он неоднократно подчеркивал фундаментальный характер явления радиоактивности. Ему принадлежит меткая фраза о "радии – великом революционере нашего времени".

Каскад сенсационных открытий окончательно подорвал претензии классической физики на полное знание и объяснение физической действительности. Неспособность истолковать наблюдаемые на опыте особенности распространения света дополнялась теперь отсутствием каких-либо представлений о природе вновь открытых явлений. Экспериментальная физика обрела могущество, развеяв миф о полноте и близком завершении физики.

Одна из острейших проблем того времени была поставлена самой теоретической физикой. Расчеты распределения энергии в спектре излучения

Одна из острейших проблем того времени была поставлена самой теоретической физикой. Расчеты распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела приводили к явно несуразному результату. В теоретически рассчитанном спектре энергия излучения неограниченно возрастала с уменьшением длины испускаемой волны. Это означало, что вся энергия нагретого тела должна была уходить в коротковолновое излучение. Неприемлемость такого теоретического предсказания была очевидна и без обращения к специальному опыту. Над решением этой проблемы, получившей название ультрафиолетовой катастрофы, безрезультатно бились крупнейшие физики мира.

Все эти вставшие перед физикой проблемы настоятельно требовали выработки новых физических понятий и представлений и создания на их основе теоретического обобщения всей совокупности недавно полученных экспериментальных данных.

Глава 10 НА РУБЕЖЕ ВЕКОВ

Успех неподтвердившейся гипотезы

В последние дни февраля парижское солнце, не ведая о том, что его включили в состав действующего экспериментального оборудования, спряталось за плотной завесой облаков. Это срывало план исследований, намеченный Анри Беккерелем. Не оставалось ничего иного, как положить приготовленные материалы в ящик стола и терпеливо дожидаться солнечных дней. Беккерель даже не подозревал, что, поступая таким образом, он начинает новую серию интереснейших опытов, далеко не самых сложных и мудреных, но, безусловно, наиболее значительных из всех экспериментальных работ, проводившихся в то время. Для него это был только досадный перерыв в столь успешно разворачивающемся исследовании.

Сумрачные, серые дни не портили ему настроения. Главной цели он все-таки достиг: блестяще подтвердилась смелая гипотеза Пуанкаре. Беккерель вновь обращается мыслями к памятному разговору с прославленным коллегой по Академии наук. Когда 20 января 1896 года на очередном заседании академии Пуанкаре сделал сообщение об открытии Рентгеном невидимых глазу всепроникающих лучей, он был поражен не меньше других и долго разглядывал только что повторенные в Париже снимки просвеченной кисти руки человека. Потом докладчик показывал полученный им в начале января отдельный выпуск "Известий Вюрцбургского физико-математического общества", в котором Рентген в лаконичной форме тезисов сообщал "о новом роде лучей". Таинственные «х-лучи», как их назвал автор, свободно проходили сквозь непрозрачные предметы и, вызывая почернение фотопластинки, давали изображение внутренних, скрытых деталей. В статье утверждалось, что новое излучение возникает при работе разрядных трубок, а для его обнаружения достаточно иметь обычную фотопластинку, завернутую в светонепроницаемую бумагу.

Разрядные трубки не были к тому времени экспериментальной новинкой. Вот уже около сорока лет буквально во всех европейских университетах студентам демонстрировалось эффектное и поучительное зрелище свечения газового разряда в этих запаянных вытянутых стеклянных колбах с двумя электродами. Удивительно, что никому еще до сих пор не приходилось наблюдать это необычное излучение. Можно понять ту торопливость, с которой Рентген поспешил оповестить всех видных ученых других стран о своем приоритете.[37]37
  [37] Но даже эти меры не помешали другому немецкому физику, Филиппу Ленарду, претендовать на соучастие в открытии новых лучей на том основании, что в его исследованиях катодных лучей уже содержались первые указания на эффекты, обусловленные проникающим излучением. Видимо, учитывая, что исследования Ленарда в значительной мере подготовили открытие, сделанное Рентгеном, Лондонское королевское общество отметило обоих ученых медалью Румфорда, а нобелевский комитет Шведской академии, присудив первую Нобелевскую премию Рентгену за открытие х-лучей, отметил одной из следующих премия Ленарда за исследование катодных лучей.


[Закрыть] Просто не верилось, что такое потрясающее открытие могло быть сделано со столь скромной экспериментальной техникой. Беккерель, конечно, не мог знать, что ему предстоит совершить не менее значительное открытие с помощью еще более простых экспериментальных средств.

После заседания Пуанкаре просит Беккереля немного задержаться. Раскрыв выпуск вюрцбургских «Известий», он перевел ему отмеченный на полях абзац: "…наиболее сильно флуоресцирующее место стенки разрядной трубки является также и главным исходным пунктом расходящихся во все стороны х-лучей".

– Как, по-вашему, не может ли быть какой-нибудь глубокой связи между новым излучением и этим флуоресцирующим пятном на стенке трубки? – слышит Беккерель обращенный к нему вопрос.

В последовавшем затем обмене мнений Пуанкаре посвятил Беккереля в свое предположение о том, что незримые лучи являются компонентой излучения, сопровождающей флуоресценцию или фосфоресценцию.[38]38
  [38] Свечение, испускаемое некоторыми веществами после облучения их ультрафиолетовым или видимым светом, называется флуоресценцией или фосфоресценцией в зависимости от того, наблюдается ли оно в течение короткого или длительного периода времени.


[Закрыть]

– Не хотите ли проверить мою гипотезу? – предлагает он, уже прощаясь.

Пуанкаре совсем не случайно обратился именно к Беккерелю. Продолжая семейные традиции академической династии Беккерелей, Анри был известным специалистом по флуоресценции и фосфоресценции. Его дед, член Парижской академии, заинтересовавшись этими явлениями, создал при Музее естественной истории специальную лабораторию для их исследования. Отец Анри, тоже известный физик и член академии, разработал классификацию процессов фосфоресценции, установил ряд закономерностей этого явления и изучил фосфоресценцию многих веществ, в том числе урановых соединений. Унаследовав от них увлеченность "холодным свечением", Анри Беккерель с первых же шагов своей научной карьеры занялся исследованиями в этой области физики. Идея Пуанкаре сразу же захватила его воображение, и он решает проверить, не испускаются ли х-лучи обычными веществами при их фосфоресценции. К опытам можно было приступить незамедлительно, благо в лаборатории Беккерелей была богатая коллекция минералов. Появившаяся в конце января статья Пуанкаре, в которой он высказывал то же самое предположение тесной связи между фосфоресценцией и рентгеновскими лучами и ставил вопрос о проведении необходимых экспериментов, только подстегнула его рвение.

Первые опыты с различными фосфоресцирующими веществами не дали никаких результатов в пользу гипотезы Пуанкаре. Тогда он решает испробовать свой любимый фосфоресцирующий объект – урановые соли, дающие наиболее яркое свечение. Но имевшиеся у него кристаллы двойного сульфата уранила и калия незадолго до этого были переданы им для исследований в одну из лабораторий Сорбонны. Некоторое время проходит в нетерпеливом ожидании, и только месяц спустя после беседы с Пуанкаре он смог приступить к решающему, как показали последующие события, эксперименту. На бромосеребряную фотопластинку Люмьера, обернутую двойным слоем плотной черной бумаги, Беккерель насыпает порошок из кристаллов уранокалиевой соли и в течение нескольких часов облучает их солнечным светом. Когда после этого он проявил фотопластинку, на ней проступило слабое почернение, имеющее контуры насыпанного на нее порошка. Беккереля охватило волнение, не меньшее, чем когда он рассматривал на заседании академии фотопластинку со снимком просвеченной кисти руки человека. Сомнений быть не может: тайна рентгеновских лучей раскрыта. Они сами запечатлели разгадку своего происхождения на этой фотопластинке. Простые кристаллики фосфоресцирующего вещества испускают те же самые х-лучи, что и разрядные трубки. Насколько проницательным оказался Пуанкаре! Беккерель срочно пишет ему записку, извещая о своем и его успехе. А в ближайший же понедельник, 24 февраля, он сообщает членам Академии наук об удивительном свойстве фосфоресцирующей соли излучать рентгеновские лучи. Беккерель и Пуанкаре принимают поздравления. Академики расходятся с заседания весьма довольные: лучи, которые удалось обнаружить немецкому физику, не менее эффектно переобнаружили французский теоретик и французский экспериментатор. Никто не сомневался, что сделан крупнейший вклад в познание х-лучей.

Торопясь повторить опыт, Беккерель приготовляет в среду, 26 февраля, несколько фотопластинок с той же урано-калиевой солью. Но пасмурное с утра небо так и не очистилось от туч. Для возбуждения же фосфоресценции необходима ультрафиолетовая радиация солнечного спектра. Решив отложить опыт до следующего дня, Беккерель аккуратно убирает приготовленные фотопластинки с насыпанной на них урановой солью в ящик стола. Ни 27-го, ни в последующие два дня погода так и не прояснилась.

Солнце выглянуло только в воскресенье, 1 марта. Это был светлый, радостный день, первый день весны, которому предстояло стать одним из самых знаменательных дней в истории физики. Беккерель решил махнуть рукой на воскресный отдых и, воспользовавшись подходящей погодой, продолжить эксперименты. Кто знает, может быть, капризы парижской весны предоставили ему всего лишь короткий антракт в веренице пасмурных дней? Придя в лабораторию, он открывает окно, чтобы выложить на освещенный солнечными лучами подоконник приготовленные фотопластинки с урановой солью. Но тут его охватывает сомнение: а не произошло ли чего-нибудь с фотопластинками, пока они лежали в ящике стола? Ведь не исключена слабая остаточная фосфоресценция соли. К тому же ему все равно придется провести для сравнения контрольный опыт с фотопластинками, побывавшими в контакте с нефосфоресцирующей солью, то есть не подвергавшейся предварительному облучению, Так почему бы не воспользоваться представившейся сейчас возможностью? А для сегодняшнего опыта он использует свежие фотопластинки.

Не теряя времени, Беккерель прошел в затемненную комнату и занялся проявлением. В первый момент он не поверил своим глазам: на влажной поверхности фотопластинок проступали знакомые уже очертания рассыпанного порошка. Изображение было гораздо темнее и отчетливее, чем в прошлый раз. Но ведь урановая соль не подвергалась облучению! Значит, испускаемое излучение не имеет никакой связи с фосфоресценцией?

Лаборатория Беккереля находилась в Ботаническом саду, в маленьком домике знаменитого Жоржа Кювье. Со временем на стене дома появится доска с памятной надписью о совершенном в этот день открытии. Но это будет гораздо позже, а пока сам Беккерель пытается осмыслить свершившееся. Итак, урановая соль сама по себе, без всякого предварительного возбуждения ультрафиолетовым светом испускает неведомую проникающую радиацию. Интересно, как воспримут эту новость академики? Завтра как раз понедельник, и нужно будет обязательно выступить на заседании.

На следующий день Пуанкаре в числе других членов академии внимает сенсационному сообщению Беккереля. "…Я особенно настаиваю на следующем факте, кажущемся мне весьма многозначительным, – подчеркивает Докладчик. – Те же кристаллы, содержащиеся в темноте, в условиях, когда возникновение излучения под действием солнечного света полностью исключалось, дают тем не менее фотографические отпечатки… Я обнаружил на них совершенно отчетливые контуры". Перед значительностью полученных результатов померкли и словно бы испарились все собственные соображения Пуанкаре, связанные с высказанной им гипотезой. Ему сразу становится ясно, что речь идет о чрезвычайно интересном явлении, присущем самому веществу. Это обстоятельство делает, по его мнению, открытие Беккереля даже более важным и фундаментальным, чем открытие х-лучей. Но далеко не все из присутствующих разделяют его восторг. Сообщение встречено без особого энтузиазма, на лицах некоторых академиков Пуанкаре читает только вежливый, холодный интерес, если не разочарование. Даже его последующее выступление, в котором он приветствовал Анри Беккереля, прибавившего "новые лучи к славе династии Беккерелей", не изменило настроения академической публики. Реакция собравшихся была значительно более спокойной, чем после недавнего сообщения об открытии рентгеновских лучей. Похоже, что их больше устроило бы, если обнаруженные Беккерелем лучи оказались действительно х-лучами. Тогда, по их мнению, и на французскую науку упал бы отсвет той славы, которой окружено сейчас во всем мире открытие Рентгена.

Дальнейшие события полностью подтвердили правильность первого впечатления Пуанкаре о слишком сдержанном приеме, оказанном открытию Беккереля. Начатое исследование никем не подхватывается, никто не подключается к новаторским работам автора, хотя неясны еще самые основные вопросы, связанные с природой нового вида радиации и ее происхождением. А президент Академии наук А. Корню в своей итоговой речи в конце года много говорит об исследовании рентгеновских лучей и почти умалчивает об открытии Беккереля. По этому поводу Пуанкаре замечает, что "президенту изменяет объективность и это тем более досадно, что Корню является хорошим физиком".

Беккерель вынужден в одиночку продолжать начатые работы. В мае 1896 года ему удалось провести опыт с чистым ураном, который продемонстрировал наибольшую интенсивность излучения. Наблюдения, продолжавшиеся на протяжении целого года, показывают, что мощность урановой радиации не ослабевает со временем.

Во весь рост встает проблема объяснения источника ее энергии. Беккерель верит в способность урана улавливать рассеянную в пространстве энергию и высвечивать ее в виде необычных лучей.

Однажды Беккерелю удается привлечь внимание к своим работам замечательного французского физика Пьера Кюри, который изучал рост кристаллов и занимался проблемой симметрии в физике. Он уже прославился вместе с братом Жаном открытием явления пьезоэлектричества в кристаллах. Обнаруженный им закон, устанавливающий зависимость намагничивания тел от абсолютной температуры, назван его именем. Поняв важность исследований, проводимых Беккерелем, Кюри обещает привлечь к этой работе свою молодую супругу Марию Склодовскую, которая как раз в это время выбирала тему для диссертации. В декабре 1897 года Мария Склодовская-Кюри приступает к поискам других веществ, испускающих «урановые» лучи. Вскоре к ней присоединяется и сам Пьер Кюри. Их исследования приводят к сенсационным результатам. Начала раскручиваться цепочка открытий, последовавших за обнаружением Рентгеном х-лучей. Только выдающиеся достижения супругов Кюри приковывают внимание французской научной общественности к открытию Беккереля, приводят к его переоценке. Но это явное запаздывание весьма ярко характеризует пониженный пульс коллективной физической мысли во Франции, ее несамостоятельность и ориентацию на достижения иностранной науки.

Впоследствии величайшее открытие Беккереля не раз представлялось как пример счастливой случайности в науке. Случайность продолжительного контакта фотопластинок с образцами урановой соли вследствие ухудшения погоды, случайно возникшее у экспериментатора намерение проявить эти фотопластинки будто бы обусловили случайное обнаружение невидимых лучей. На самом же деле с самого начала своих исследований Беккерель неотвратимо шел к открытию излучения урана. Неизбежность этого исхода была предопределена двумя факторами: гипотезой Пуанкаре, прямо и недвусмысленно нацеливавшей экспериментатора на поиск невидимой, проникающей радиации, и особо интенсивной фосфоресценцией урановых соединений. Последнее обстоятельство было хорошо известно Беккерелю, поскольку оно было установлено его отцом. Именно на пересечении этих двух факторов и зафиксировано основное событие, приведшее Беккереля к неожиданному для него самого результату: почернение пластинки в контакте с урановой солью. Все остальные факторы могли лишь ускорить или замедлить продвижение к предопределенному уже финалу. Ошибочная интерпретация обнаруженного почернения фотопластинки была несущественной для всего дальнейшего, так как она могла лишь временно сохранять свое значение. Как опытный и добросовестный экспериментатор, Беккерель обязательно провел бы контрольный опыт с необлученной солью. И то, что его опередила в этом плохая погода, – это действительно случайность. Случайно открытие было сделано несколькими днями или неделями раньше, чем это диктовалось логикой исследования. Одним словом, случайна в этом открытии сама случайность.

Без гипотезы Пуанкаре, навеянной открытием Рентгена, даже факт почернения фотопластинки под действием уранового соединения мог бы не обернуться открытием, обогащающим науку. Так и случилось за тридцать лет до этого события, когда на заседании Парижской академии было заслушано сообщение некоего лейтенанта Ньежа де Сен-Виктора, докладывавшего о действии раствора урановой соли на фотографические пластинки. Но ни сам докладчик, ни члены Парижской академии не поняли истинного смысла этих результатов его опытов, приписав наблюдавшийся эффект химическому действию урановой соли. Чтобы в науку вошло действительно новое, нужно было, чтобы почернение фотопластинки тесно связалось в сознании экспериментатора с проникающим излучением, как это было у Беккереля, руководствовавшегося гипотезой Пуанкаре.

По-видимому, именно после открытия Беккереля сам автор отвергнутой гипотезы начал задумываться над гипотезами вообще и над их ролью в науке. Как возникают гипотезы, на чем основываются выдвигающие их авторы? Когда невозможны или не оправдываются строгие научные предсказания, то приходится прибегать к предположениям и догадкам, основываясь на уже апробированном знании, на том, что известно. В качестве первоначальной выбирается всегда наиболее правдоподобная гипотеза, то есть гипотеза, которая наиболее естественно объясняет явление на основе известного и включает минимально возможные допущения о неизвестном. Поэтому неподтверждение такой гипотезы экспериментом всегда приводит к более интересной ситуации в науке, к более чреватой взрывом обстановке, чем до проведения эксперимента. Поскольку в гипотезе элемент новизны был минимален, то отвергнуть такую гипотезу – значит доказать непригодность наиболее правдоподобного по старым меркам объяснения, потребовать новизну принципиально иного масштаба, переворачивающую сразу огромный пласт научных понятий и представлений. (Впоследствии, уже в середине XX века, такие ситуации в науке будут характеризоваться потребностью в «безумных» идеях, то есть потребностью гипотез с гораздо большим содержанием новизны, из ряда вон выходящего.) "…Часто ложные гипотезы оказывали больше услуг, чем верные", – скажет впоследствии Пуанкаре. Несколько лет спустя эти мысли найдут отражение в его докладе на одном из международных конгрессов, состоявшемся в 1900 году при Всемирной парижской выставке. Правда, скромность не позволит ему проиллюстрировать свои умозаключения примером крупнейшего открытия в физике, вызванного к жизни его гипотезой, успех которой в том и состоял, что она не подтвердилась экспериментом.