Текст книги "Падение Рыжего Орка (СИ)"
Автор книги: Дарья Волкова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 22 страниц)
КВАНТОВЫЙ БИЛЬЯРД
Миражи
Работы Аббе открыли путь к пониманию принципиальных ограничений оптических приборов. Ни конструктивные усовершенствования, ни повышение качества линз, ни самые изощренные их комбинации не способны показать наблюдателю детали, меньшие, чем длина волны видимого света.
Но человек не может не мечтать. Запреты и трудности лишь увеличивают настойчивость и энергию первопроходцев. В случае с микроскопом сама природа подсказывала путь. Нужно перейти от видимого света к более коротким, ультрафиолетовым волнам. Пусть они не видимы глазом, пусть стекло для них не прозрачно. Нужно найти материалы, прозрачные для этих волн, и научиться превращать изображения, не видимые глазом, в видимые.
Так появились различные ультрафиолетовые микроскопы с линзами из специального увиолевого стекла или плавленого кварца и даже совсем без линз — зеркальные микроскопы. В этих микроскопах изображение формируется на фотоэмульсии или на специальных люминесцентных экранах, подобных экранам телевизоров. После обработки на фотоэмульсиях получается обычное видимое изображение. А люминесцентные экраны, светящиеся видимым светом под действием ультрафиолетовых лучей, позволяют непосредственно следить за поведением микроскопических объектов, освещенных незримыми лучами.
Микроскопы этого типа проникли даже в диапазон, лежащий за пределом ультрафиолетовых волн. Методы, позволившие создать микроскопы ультрафиолетового диапазона, сохранили свою применимость и в диапазоне мягких рентгеновских волн, которые сильно поглощаются и рассеиваются биологическими объектами.
Путь перехода к невидимым электромагнитным волнам, непосредственно следующий из идей Аббе, оказался далеко не единственным. Здесь нельзя не повторить вслед за академиком Рождественским, что в микроскопии творит новое и совершенное тот, кто знает, для чего творит и что ищет. Задачи развития биологических дисциплин предъявляли к микроскопам свои специфические требования. Многие биологические объекты не только очень малы, но и слишком прозрачны. Микроорганизмы и клетки животных и растений обычно окрашены почти столь же слабо, как вода или остальная масса окружающих тканей. Как разглядеть их? Прямой путь — окрашивание — не всегда применим. Имеются случаи неокрашивающихся объектов. Иногда краски убивают живые организмы. Даже в тех случаях, когда окрашивание дает результаты, оно требует лишнего времени.
Но не биологи впервые научились фотографировать бесцветные прозрачные образования. Этого добились конструкторы микроскопов, работа которых сводилась на нет, если в линзах гнездились невидимые дефекты. Такие дефекты нередки в любых стеклах — и в оконных, и в тех, из которых готовят линзы для ответственных оптических приборов.
Наблюдали ли вы когда-нибудь, как солнечный свет, проходя через оконное стекло на белую стену, рисует на ней узоры? Встречаются очень красивые и разнообразные рисунки, в которых переплетаются светлые и темные области. Причина — внутренние неоднородности в стекле. Они могут возникнуть из-за непостоянства состава стекла, если его компоненты плохо перемешаны при варке, или из-за внутренних натяжений, возникших при остывании стекла. При этом прозрачность стекла не нарушается, но возникают неоднородности показателя преломления. Такие неоднородности влияют на распространение света, искривляют ход световых лучей.
Марево, часто искажающее удаленные предметы в пустыне или степи в жаркую погоду, видимая игра воздуха в проеме открытой форточки в морозный день, когда смешиваются потоки теплого и холодного воздуха, — все это родственные явления. Их причина — искривление пути света в средах с изменяющимся показателем преломления — рефракция. Иногда рефракция приводит к эффектным картинам миражей, производящим огромное впечатление на путешественников.
Оптики называют неоднородности в стекле свилью или свилями, а в быту они известны как «стеклянные сучки». Зафиксирован ряд случаев, когда такие стеклянные сучки были причиной пожаров — они способны действовать как собирающие линзы. Вероятно, многие таинственные загорания вызваны подобными дефектами оконных стекол. Слабая свиль, обычно незаметная в оконных стеклах и витринах, может сделать совершенно непригодным объектив, хотя его поверхность обработана с предельной точностью. Поэтому оптики настойчиво искали метод, позволяющий оценивать однородность стекла перед тем, как начинать трудоемкое изготовление линз.
По-видимому, первым, кто догадался извлечь пользу из того, что. свиль не приводит к поглощению света, а лишь изменяет путь его распространения, был Тёплер, оптик, живший в конце прошлого века. Он придумал простейший метод обнаружения свилей в стеклянных заготовках. Для этого нужно взять точечный источник света или попросту любой источник малых размеров, но яркий. По тем временам лучше всего подходила вольтова дуга. Если такой источник есть, дальнейшее зависит от размера объекта, подлежащего исследованию. Когда он велик, например, это большой кусок стекла, то опыт следует проводить в темной комнате с черными стенами. Нужен белый экран и непрозрачная заслонка, которую вдвигают между источником и экраном так, чтобы она своим краем только-только закрыла экран от источника. Как только экран стал темным, заслонку надо закрепить. Итак, экран темный. Можно начинать исследование куска стекла, который прячется за экраном. Его выдвигают из-за экрана так, чтобы он оказался освещенным. Если свилей нет, экран останется темным. Но если в куске есть свиль, она обязательно нарушит прямолинейность распространения света и часть его попадет на экран. Вот и вся механика опыта. Распределение света на экране позволяет судить о величине неоднородностей и их расположении в массе стекла. Этот простейший метод и его модификации носят имя Тёплера. Иногда его называют методом затемненного поля зрения.
В более сложном исполнении Тёплеровская установка применяется не только для исследования качества стекла, но и для того, чтобы сделать видимыми потоки воздуха в аэродинамических трубах или фотографировать волны, возбужденные в воздухе летящими пулями и снарядами.
Этим же методом воспользовались микроскописты для наблюдения биологических объектов. Прозрачный объект, отдельные части которого различаются только величиной показателя преломления, на Тёплеровской установке «проявится» во всех деталях.
У некоторых читателей, наверное, возник вопрос: а как же справлялся Левенгук в те времена, когда такой установки еще не было? Ведь он как раз и наблюдал бактерии и инфузории, а большинство из них — прозрачные слабоокрашенные объекты. Левенгук ничего не знал о природе света и о процессе возникновения оптического изображения. Как же он видел то, что не должно быть видимо без принятия неведомых ему мер?
Левенгук был прирожденным экспериментатором. Изготовив свой микроскоп, он убедился в том, что хорошие изображения получаются только при очень ярком освещении. Для получения требуемой яркости он направлял на объект свет солнца или свечи, сконцентрированный при помощи вогнутого зеркала. Наилучшее изображение получалось, когда свет падал на объект сзади, под углом около 45°. С зеркалами, изготовленными Левенгуком, как раз и реализовались условия Тёплеровского метода. Описания вида некоторых бактерий и красных кровяных шариков, направленные Левенгуком в Лондонское королевское общество, подтверждают, что он, не подозревая этого, наблюдал рефракционные эффекты. К сожалению, Левенгук хранил методы наблюдения в тайне. Потомкам пришлось повторить все сначала, правда, на совершенно новом уровне.
Вперед с предельной осторожностью
Дальнейший прогресс микроскопии связан с отказом не только от видимого света, но и от использования невидимых ультрафиолетовых и еще более коротких электромагнитных волн. Настала— очередь применения частиц вещества. Но возможность создать микроскоп, работающий при помощи частиц, возникла только в результате длительного развития науки в направлении, не имеющем ничего общего с микроскопом. Она возникла после того, как удалось разобраться в важнейшей проблеме естествознания — проблеме взаимоотношений частиц и волн.
И тут мы должны вернуться из двадцатых годов к началу века, к истокам квантовой науки, к Эйнштейну, которого глубоко тревожило разделение оптических явлений на две категории. Одни из этих явлений легко объяснялись волновой теорией и были совершенно непонятны с квантовой точки зрения. Другие, совершенно непонятные с волновой точки зрения, непринужденно вытекали из квантового подхода. Какая загадка скрывалась под этим противоречием?
В течение десяти лет Эйнштейн настойчиво стремился понять суть дела. Нет, он не пытался построить новую теорию, способную устранить противоречия и все объяснить. Он понимал сложность проблемы, чувствовал, что время окончательных выводов еще не пришло. Эйнштейн был гением, и его гениальность проявилась в том, что он с самого начала принял реальность внутреннего единства волновых и корпускулярных свойств света, понял, что квантовая структура излучения — неизбежное следствие двуединой природы света. И, подобно Ньютону, предоставив будущим исследователям изучение сущности этого единства, показал, как при помощи фотонов (частиц, или квантов света, введенных им в 1905 году) можно объяснить то, что невозможно объяснить лишь на основе однобоких — волновых или примитивных корпускулярных — представлений.
За период с 1905 по 1916 год ему удалось привлечь кванты для решения загадки теплоемкости и спасения кинетической теории от груза противоречий, внести ясность в тайну магнетизма и в поведение вещества при температуре, близкой к абсолютному нулю. 1916 год стал кульминацией его творчества.
Этот год может сравниться по результативности только с 1905 годом, когда Эйнштейн сделал нечеловеческий рывок: в течение нескольких месяцев подарил науке специальную теорию относительности, теорию квантов света и флуктуационную теорию движения молекул. Теперь он в течение одного года завершил общую теорию относительности, теорию тяготения, потребовавшую для своего создания величайших интеллектуальных усилий. Но мысли о квантовой структуре вещества и излучения не оставляли его.
Продолжая изучать процесс взаимодействия излучения с веществом, Эйнштейн делает два важнейших открытия. Значение первого было впервые оценено лишь через 30 лет молодым советским физиком Фабрикантом, но еще около 10 лет ждало всеобщего признания. После этого оно легло в основу новой области науки — квантовой радиофизики и новой области техники — квантовой электроники, привело к изобретению мазеров и лазеров и их многочисленным применениям. Речь идет об открытии особого механизма взаимосвязи между поглощением и излучением света веществом.
Рассматривая, как атом реагирует на падающий на него свет, Эйнштейн обнаружил, что возможны два родственных, но противоположных процесса. Атом может поглотить порцию энергии, ослабив падающий свет на величину этой порции — на один квант, или отдать падающему свету часть своей внутренней энергии, испустив квант света — фотон, тем самым усилив падающий свет на точно такую же порцию энергии. При этом испущенный фотон будет близнецом тех, которые вызвали его излучение. Близнецом по величине энергии. Пока речь шла только об энергии.
Второе открытие связано с первым и тоже родилось от потребности глубже понять существо квантовых свойств излучения. Эйнштейн снова пристально всматривается в фундамент, на котором покоится квантовая теория, и обращает внимание на то, что все рассуждения были основаны на законе сохранения энергии. Правильно ли это, вернее, достаточно ли обоснованно? Нет, он не ставит под сомнение справедливость этого подхода. Он хочет знать, как изменится теория, если наряду с законом сохранения энергии принять во внимание второй закон сохранения — закон сохранения импульса или, иными словами, закон сохранения количества движения. В механике эти законы глубоко связаны. При соударении упругие шары одновременно обмениваются и энергией и импульсом. Если один бильярдный шар ударяет второй, точно такой же неподвижный шар, то под влиянием отдачи первый шар останавливается, а второй как бы принимает на себя его движение. Если наблюдатель пропустит момент удара, он может вообразить, что первый шар попросту прошел сквозь второй, никак не воздействовав на него.
Эйнштейн ставит вопрос предельно просто: испытывает ли молекула отдачу при поглощении или испускании световой энергии? Ответ можно получить двумя путями — спросив волновую теорию или квантовую.
Волновая теория отвечает: молекула, как точечный источник, излучает совершенно симметричную сферическую волну. Энергия в ней разбегается одинаково во все стороны. Значит, отдачи нет. Точно так же остается неподвижным шар, если в него одновременно с четырех сторон с одинаковой скоростью ударяются четыре одинаковых шара. Они отражаются каждый в свою сторону, обменявшись между собой импульсами через неподвижный шар, который не сдвинется с места.
Эйнштейн уверен — с квантовой точки зрения такого не может быть. Если происходит испускание единичных фотонов, то каждый из них уносит не только энергию, но и импульс. Из закона сохранения следует, что излучающая молекула должна испытать отдачу, как ружье, из которого вылетела пуля. Неважно, что толкает пулю — пороховые газы, сжатый воздух или пружина. Ружье получает тот же импульс, что и пуля, но он направлен в противоположную сторону.
Какую точку зрения избрать? Чему поверить? От чего оттолкнуться? Эйнштейн не сомневался — законы сохранения отражают основные свойства природы. В 1916 году не было известно ни одного случая, когда законы сохранения нарушались. Сейчас мы знаем, что некоторые из них нарушаются. Например, при определенных процессах в атомах и при некоторых взаимодействиях элементарных частиц нарушается закон сохранения четности — различие между левым и правым при этом приобретает новое, неведомое ранее значение. Но отступления от законов сохранения энергии и импульса представляются нам и сейчас совершенно невероятными.
И тогда, вступая в неведомый квантовый мир, Эйнштейн считал необходимой предельную осторожность. Он опирается только на хорошо установленные и многократно проверенные факты, на закон сохранения энергии, на термодинамику и электродинамику. Он проводит необходимые вычисления и получает бесспорный результат: излучающая молекула или атом испытывают отдачу. Она направлена в сторону, противоположную направлению излучения фотона. Импульс отдачи численно равен энергии, унесенной фотоном, деленной на скорость света.
И еще один вывод: самопроизвольного излучения в виде сферических волн не существует. Излучается всегда фотон, уносящий порцию энергии и определенный импульс. Направление излучения и момент, когда оно происходит, зависит от случая. Совершенно так же, как при распаде радиоактивного атома…
Квантовая теория излучения стала еще более квантовой…
Был ли Эйнштейн удовлетворен? В статьях этого периода чувствуется характерная для него ответственность, высокая степень критицизма к себе. Он констатирует слабость этой теории: она не приводит к более тесному объединению с волновой теорией. Но он не отступает — уверен в надежности выбранного метода. Он объясняет, почему все существовавшие ранее теории взаимодействия излучения с веществом, учитывавшие только обмен энергией, но не обмен импульсами, не противоречили опыту. Дело в том, что для видимого света импульс каждого отдельного фотона очень мал. Его попросту не замечали.
Теперь оставалось ожидать экспериментатора, способного понять намек. Ждать пришлось семь лет.
Предсказания сбывается
Примирившись с двуединой сущностью света, с необходимостью при решении некоторых задач отдавать предпочтение его волновым, а в других случаях квантовым свойствам и идя этим путем решительнее всех, Эйнштейн продолжал настойчиво искать пути к пониманию глубинных свойств излучения. При этом он не пренебрегал ни одной возможностью, подававшей надежду обнаружить, какая из сторон — волновая или квантовая — является более фундаментальной.
Прошло четыре года. Трудных и знаменательных года. Закончилась мировая война. В России прогремели две революции. Ущербная Февральская и Великая Октябрьская. Революция в Германии потерпела поражение и была потоплена в крови. Реакция торжествовала. Голод и разруха способствовали укреплению черных сил. Шовинизм и оголтелый национализм породили первую поросль национал-социализма. Реакционеры в науке травили Эйнштейна. Его теорию относительности объявили большевистской. Работать стало трудно. Все силы уходили на защиту и дальнейшее развитие теории относительности. Лишь одна радостная весть среди охватившего Германию шабаша мракобесия: она пришла в 1919 году из-за Ламанша. Экспедиция Эддингтона обнаружила искривление лучей света, предсказанное теорией относительности! Но это лишь подлило яда в черный костер травли.
И вот в 1921 году среди шести фундаментальных работ, посвященных теории относительности, короткая заметка: «Об одном эксперименте, касающемся элементарного процесса испускания света». Создатель квантовой теории света объявляет о том, что он нашел способ, как, на основе опыта, сделать выбор между квантовым и волновым подходом. Он сообщает, что приступает к опыту вместе с Гейгером. Идея опыта проста, как почти все придуманное Эйнштейном. Пучок невзаимодействующих атомов летит в пустоте вдоль непрозрачной стенки. Он пролетает мимо узкой прозрачной щели, проделанной в стенке. Позади щели стоит линза. Свет, излучаемый атомом, через щель попадает на линзу. Тут нужно измерить частоту этого света. Волновая теория говорит: эта частота должна быть больше при приближении атома к щели и меньше при его удалении от нее. Таков результат эффекта Допплера. Обычная иллюстрация этого эффекта: повышение тона гудка при приближении паровоза к наблюдателю и понижение при удалении.
Обнаружить этот эффект в случае света не легко. Ожидаемая разность частот очень мала. Но Эйнштейн придумал простой способ преодоления этой трудности. Он решил пропускать исследуемый свет через среду, показатель преломления которой заметно зависит от длины волны света. Он выбирает сероуглерод. В таких средах скорость света зависит от частоты, поэтому волны различных частот пойдут разными путями. Расчет показал, что полуметровый слой сероуглерода позволит легко произвести измерение и отличить «тон» света, излученный атомом до и после щели. Так — выглядит опыт с волновой точки зрения.
С квантовой точки зрения атом излучает не волну, а квант — порцию света, фотон. Энергия фотона, а следовательно, частота излученного света определяется только внутренней структурой атома. Свойства фотона не зависят от того, излучил ли его атом до щели или после пролета мимо нее. Ведь свойства излучающего атома не зависят от его положения относительно щели. Никакой разницы частот фотонов, излученных до и после пролета атома мимо щели, не может быть.
Вот он, решающий опыт, судья, могущий вынести приговор — что есть свет: поток фотонов или волн?
Прошел год, прежде чем физики услышали что-то новое, касающееся задуманного опыта. Эйнштейн публикует две небольшие статьи, чрезвычайно характерные для него. Эйнштейн признает и анализирует допущенные им ошибки. Одна относится к знаменитой работе ленинградского физика Фридмана, сделавшего важнейший вывод из общей теории относительности, вывод, не замеченный автором теории. Сперва Эйнштейн счел эту работу ошибочной, но вскоре убедился в том, что Фридман прав, а ошибся он сам. Об этом Эйнштейн немедленно сообщил в том же журнале, где он критиковал Фридмана.
Вторая из двух статей касается запланированного опыта. Она начинается с краткого изложения идеи опыта и с сообщения о том, что Эрнфест и Лауэ высказали сомнение в его рассуждениях. Лауэ считает, что подробный анализ распространения света в сероуглероде и подобных ему средах, основанный на волновом подходе и учете эффекта Допплера и опирающийся на статью Эйнштейна, приводит к противоречию со вторым началом термодинамики. Значит, анализ, опубликованный Эйнштейном, не полон.
Пройти мимо этого было невозможно. Эрнфест и Лауэ — ближайшие друзья и единомышленники Эйнштейна. Лауэ, кроме того, энергично защищал его от нападок черносотенных реакционеров.
Критика друзей побудила Эйнштейна более подробно изучить волновую трактовку запланированного опыта. Он понял, что ошибся. Предсказание волновой теории при точном математическом анализе совпало с тем, что дает элементарное рассуждение на основе квантовой теории. Так впервые было установлено, что в случаях, когда к анализу явления могут быть применены как волновая, так и квантовая теории, противоречия между ними возникают лишь при недостаточно полном анализе: если не учитываются существенные детали или если вычисления проводятся недостаточно точно. При точном рассмотрении противоречия исчезают. Опыт, проведенный Гейгером и Боте, совпал с тем, что теперь дружно давали обе теории.
Так прошел 1922 год. К этому времени шар, брошенный Эйнштейном в 1916 году, перелетел через океан и попал в руки профессора Комптона. По склонности он был экспериментатором, но превосходно владел методами теории. Именно он стал крестным отцом кванта света и нарек его фотоном — частицей света. Он понял намек, содержащийся в статье Эйнштейна. Комптон решил подтвердить опытом вывод Эйнштейна о том, что фотон, взаимодействуя с веществом, ведет себя как бильярдный шар, что, столкнувшись с частицей, он обменивается с ней не только энергией, но и импульсом.
В то время физикам были известны только две элементарные частицы вещества: электрон и протон. Фотон еще далеко не всеми считался настоящей частицей. Комптон отчетливо понимал сложность задачи. Если частица входит в состав атома, то квантовая структура самого атома чрезвычайно усложнит обработку опыта. Но работать со свободными частицами невероятно трудно. Дело осложнялось и тем, что импульс фотона видимого света очень мал. Комптон догадался, как одним ударом преодолеть обе трудности. Нужно работать не с фотонами видимого света, а с фотонами рентгеновских лучей. Их импульс в 10 тысяч раз больше.
По сравнению с энергией рентгеновских фотонов, энергия связи внешних электронов атома с его ядром ничтожно мала. Для рентгеновских фотонов электрон, связанный с атомом до соударения, ведет себя при соударении как свободная частица. Все стало просто. Мысленный опыт: поток шариков от игрушечного детского бильярда направляется на большие бильярдные шары. Реальный опыт: поток фотонов бомбардирует электроны, входящие в атомы мишени. Фотоны аналогичны шарикам детского бильярда, электроны — большим шарам, ведь масса фотона обусловлена только его энергией и мала по сравнению с массой электрона. При столкновении выполняются два закона: закон сохранения энергии и закон сохранения импульса. Фотон передает электрону часть своей энергии и часть своего импульса. То же будет при столкновении маленького шарика с большим. Полный обмен возможен, только если шары одинаковы. Значит, столкнувшись с электроном, фотон полетит дальше, изменив направление полета и свою энергию, то есть длину волны. Простой расчет показал, как длина волны изменяется в различных направлениях. Результаты опыта полностью совпали с расчетом. Опыт Комптона оказался таким же решающим подтверждением квантовой природы света, каким наблюдение Эддингтона стало для общей теории относительности.
Существует ли наука ради самой науки?
Примерно через год после выхода научного журнала со статьей Комптона газета «Берлинер Тагеблат» попросила Эйнштейна разъяснить читателям значение этого опыта.
Эйнштейн относился к каждому человеку со столь большим уважением, что не мог ни отказаться, ни ответить сухо или лаконично, как это сделало бы большинство ученых, углубленных в свое дело и ценивших время. Мало кто был способен к столь полному и постоянному самоуглублению, как Эйнштейн. Но свой долг перед человечеством он ставил превыше всего. Он ответил статьей, которая подчеркивает органичную связь между открытиями науки и жизнью общества. Заголовок «Эксперимент Комптона» снабжен подзаголовком «Существует ли наука ради самой науки?»3.
«На этот вопрос, — пишет автор, — с одинаковой решительностью можно ответить и «да», и «нет», смотря по тому, как его понимать. Ученые должны служить науке ради самой науки, не задумываясь о практических результатах. Иначе, потеряв из виду фундаментальные закономерности, наука захирела бы. Она не выполняла бы также и своей великой просветительной миссии, заключающейся в том, чтобы пробуждать и поддерживать в массах стремление к познанию причинных связей. Но эта великая миссия — быть хранительницей одного из самых ценных идеалов человечества — показывает также, до какой степени наука может существовать ради самой науки. Сообщество ученых можно уподобить органу тела всего человечества, который питается его кровью и выделяет жизненно важный гормон, необходимый всем частям этого тела, чтобы оно не погибло. Это вовсе не значит, что каждый человек должен до пресыщения пичкать себя ученостью и разными научными фактами… Не поможет в решении научных вопросов и широкая гласность. Но каждому мыслящему человеку надо предоставить возможность познакомиться с большими научными проблемами его эпохи, даже если его положение в обществе не позволяет ему посвятить значительную долю своего времени и сил размышлениям над теоретическими проблемами. Только выполняя эту важную задачу, наука приобретает, с точки зрения общества, права на существование.
С этой точки зрения я и хочу рассказать далее о важном эксперименте, касающемся света, или электромагнитного излучения, и выполненном примерно год назад американским физиком Комптоном. Чтобы понять полностью значение эксперимента, мы должны представить себе то чрезвычайно странное положение, в котором находится теперь учение об излучении…»
И Эйнштейн делится сомнениями, которых накопилось так много, что физике пора было бы избавиться от них…
«Теперь, — пишет он, — мы имеем две теории света, обе необходимые и — как приходится признать сегодня — существующие без всякой логической взаимосвязи, несмотря на двадцать лет колоссальных усилий физиков-теоретиков. Квантовая теория света… объяснила так много фактов, что она должна содержать значительную долю истины. Комптон нашел, что рентгеновский свет, рассеянный соответствующими веществами, действительно испытывает изменение частоты, требуемое квантовой (но не волновой) теорией. Положительный результат опыта Комптона показывает, что излучение ведет себя так, как если бы оно состояло из дискретных корпускул не только в смысле передачи энергии, но и в смысле передачи количества движения».
Так заканчивает свою статью Эйнштейн.
Продолжим наш рассказ о «квантовом бильярде».
Примерно в это время к незримому бильярдному столу склонился еще один гений.
В 1919 году, после демобилизации, военный радиотелеграфист Луи де Бройль возобновил в лаборатории своего брата Мориса исследования фотоэффекта рентгеновских лучей, прерванные войной. Здесь начался его путь на передний фронт науки к тесному соприкосновению с главными проблемами, смущавшими физиков того времени. Именно загадка фотоэффекта привела Эйнштейна к открытию квантов света. Бор связал кванты света со строением атома. Де Бройль дерзко пытался примирить все эти отдельные открытия между собой. Вместе с братом он стремился прояснить зависимость энергии фотоэлектронов от свойств излучения, порывавшего их связь с атомами вещества.
Это была лишь подготовка, начальный класс, из которого ученик разом вознесся к высшим достижениям науки. Он обнаружил две глубокие, поразившие его аналогии. Первая — поведение свободных электронов во многом напоминало поведение рентгеновских лучей… Вторая — общие уравнения механики, уравнения Гамильтона, имели сходство с современными уравнениями волновой оптики… Вот намеки, известные, несомненно, многим. Для того чтобы их правильно понять и истолковать, понадобился, как когда-то было с Аббе, не только талант, но и подходящий настрой мыслей. Такой настрой по воле случая получил де Бройль, изучая фотоэффект и рентгеновские лучи. Ход его мыслей: между электронами и рентгеновскими лучами, несомненно, проявляется глубокая общность. Общность частиц — электронов и волн — рентгеновских лучей. По Эйнштейну свет (а значит, и рентгеновские лучи) — поток отдельных порций энергии, во многом обладающих свойствами частиц… Может быть, правомочно и обратное положение: частицы — электроны обладают какими-то волновыми свойствами?
В 1923 году, в том же году, когда Комптон опубликовал свои замечательные исследования взаимодействия рентгеновских волн с электронами, де Бройль послал в печать серию из трех статей, открывших новую эпоху в науке. Родилась волновая механика, основа огромного здания квантовой физики. В первой статье де Бройль связал движение микрочастицы, до того представавшей перед учеными в виде маленького бильярдного шара, с распространением особой волны. Свободная частица, летящая прямолинейно и равномерно, как бильярдный шар, бегущий по столу, связана с безграничной плоской волной. Следующий шаг был много труднее. Но он объяснял загадочную устойчивость атома, в котором электроны, вращаясь вокруг ядра, выбирают для себя не произвольные, а определенные орбиты. Чем они выделены — оставалось тайной для всех, включая Бора, обосновавшего устойчивость планетарной модели атома. По де Бройлю, электроны вращаются только по тем орбитам, где укладывается целое число волн, которые электроны могут излучать при боровских перескоках с одной орбиты на другую.
Во второй статье де Бройль попытался сделать то, что Эйнштейн оставил в тылу во время пионерского прорыва к квантам света. Де Бройль набросал теорию интерференции и дифракции света, совместимую с существованием фотонов. Так он перебросил мост между волновой и квантовой сферой. В третьей статье он дал новый вывод формулы Планка и установил глубокое соответствие между движением частиц и связанных с ними волн. То, что содержалось во второй и третьей статьях, не было окончательным ответом. Лишь намеки. Только указание пути.
