Я нарочно привел такой старинный пример, чуть ли не вековой давности. Сегодня подобные примеры бросаются вам в глаза на каждом шагу. Взять хотя бы неоновые вывески, в которых, кстати говоря, светятся не только неон, но и аргон, криптон и другие газы.
Что-то здесь тоже не видать непрерывного "всецветного" спектра! Подвел электрон! А вернее, подвела теория. Выходит, есть и такие непредусмотренные ею условия, при которых получается, как говорят, линейчатый спектр. Что же это за условия? Физики той поры только беспомощно разводят руками.
Согласно кривой Рэлея - Джинса интенсивность излучения в области коротких волн должна неограниченно возрастать. Кривая Вина - Голицына, напротив, плохо ведет себя в области длинных волн. Пунктирная кривая показывает, как удачно Планк "сшил" оба эти закона. Эта кривая отлично оправдывается на опыте.
Что ж, пойдемте дальше. Физика в те годы весьма усердно изучает свечение при нагревании тел. Оно так и называется "тепловым излучением". Уже известный нам Людвиг Больцман и австрийский физик Иозеф Стефан находят точное математическое выражение словам "чем горячее тело, тем оно ярче светится". А другой австриец Вильгельм Вин и - независимо от него - выдающийся русский физик Борис Борисович Голицын тем временем открывают закон, по которому изменяется цвет свечения тел при их нагревании.
После чего два английских физика - лорд Рэлей и Джемс Джинс - делают попытку объединить эти два закона в один.
Этот объединенный закон должен описать, как изменяется яркость свечения нагретых тел, если "пробежаться" по их спектру.
Но "пробежаться" не удалось. Разразилась катастрофа…
Понятное дело, катастрофа в теории… Она так и получила название "ультрафиолетовой катастрофы". Пока мы путешествовали где-то в области радиоволн и инфракрасных волн, все шло нормально. Пробежали и видимый спектр, удалились в фиолетовую область и тут заметили, что бежать становится все труднее. Вместо спуска, как подсказывает здравый смысл, перед нами - гора, да и какая! Чем дальше залезаешь в ультрафиолет, тем она круче.
И оставили путешественники попытки забраться на эту гору. А физики-теоретики оставили всякую попытку понять, откуда взялась эта гора. Нет, не может быть, чтобы по мере увеличения частоты света его яркость бешено росла! Если бы это было так, мир был бы залит чудовищными потоками ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-излучений!
Закон Рэлея - Джинса рухнул. И потянул за собой в пропасть всю теорию излучения, всю старую теорию света. Если теория с железной логикой приводит к абсурдному закону - это крах всей теории.
Хватит с вас хотя бы этих двух трудностей? Наверное, хватит. Теперь надо подумать, как из них выбраться…
Рождение "количества"
Большинству ученых вторая трудность кажется серьезнее. Среди них - сорокалетний профессор Берлинского университета Макс Планк. Сорок лет - это может показаться много. Иной ученый уже от двадцати до тридцати "выложится до дна" и в остальные годы будет лишь счастливо пожинать плоды своей яркой вспышки. Планк к тому времени - довольно известный ученый, автор солидных трудов по теплофизике, механике и во многих других областях. "Глубокий ученый, прекрасный человек", - с уважением отзываются о нем коллеги. Но не более. Великим или гениальным его никто не называет, а в сорок лет уже нет надежды, что назовут. Да и не нужно это Планку. "Улыбка истины - дороже всех наград!"
И вот эта-то "улыбка" пока ускользает от него. Есть два закона, хороший каждый в своем "царстве", - закон Вина, отлично работающий в области коротких волн, и злосчастный закон Рэлея - Джинса, как раз никуда не годный в этой области. Но зато виновский закон плох там, где все-таки рэлеевский закон как будто бы вполне приемлем - в "царстве" длинных волн.
Планк после долгих раздумий выбирает, как ему кажется, путь наименьшего сопротивления: пытается каким-либо образом "сшить" оба упомянутых закона. В математике такая портновская операция называется интерполяцией.
Интерполяционную формулу и ищет Планк. Наконец она появляется на свет - плод долгих и трудоемких расчетов. Остается проверить ее на опыте. Проверка производится - и груда расчетов летит в корзину! Не подошла формула!
Тем временем коллеги Планка - спектроскописты - производят новое тщательное измерение спектра теплового излучения. В октябре 1900 года Планк узнает об этом результате. И начинаются "героические две недели".
Бывает так: вдруг все, чем жил до сих пор, отодвигается на задний план, перед глазами день и ночь стоит заветная задача, сутки за сутками сливаются в один бесконечный день, метущийся в вихре мыслей. Растет бумажная груда, уже не знаешь, где начало, где конец, где основное, где второстепенное. Накал мысли достигает такой яркости, что кажется, еще минута - голова разлетится на куски. И вдруг наступает тишина…
Прозрение. Пришло прозрение. И уже не нужно лихорадочно рыться в груде бумаг, ловить ускользающие мысли. И вообще ничего не нужно. Мысли выстроились стройными рядами, как на параде. И все так удивительно, так потрясающе просто! Но в душу уже снова закрадывается беспокойство. Надо докладывать. Как преподнести открытие? Ведь прозрение пока осенило лишь его одного.
Надо признаться, основания для беспокойства у Планка есть. Очень радостно, просто замечательно, как результаты измерений тютелька в тютельку укладываются на новую кривую. И формула не выглядит громоздкой и отвратительно неуклюжей - почти верное свидетельство ее безошибочности!
Но… но в ее основе лежит предположение, подрывающее основы из основ старой физики. Той физики, в стенах которой вырос Планк и которой он сам отдал немало сил.
Это предположение о квантах энергии.
Классическая физика со времен Ньютона считает, что любая энергия, какое бы происхождение она ни имела, приобретается ли она, отдается ли телами - она непрерывна. Она расходуется, переносится, приобретается так же ровно и бесперебойно, как вытекает вода из крана.
Кажется даже смешным утверждать обратное. Еще никто не видел, чтобы свеча то вспыхивала, то гасла, излучая световую энергию, чтобы камень, летящий в пропасть, дергался, рывками набирая скорость и энергию.
Планк уже убежден, что так оно, в сущности, и есть. Но убедить в этом других - пусть даже только физиков! Что ни говори, а Планк беспокоится не зря.
От кванта до фотона
19 октября 1900 года Планк сделал сообщение о своем открытии - квантах энергии - на заседании Берлинского физического общества. Ученые - народ вежливый, доклад Планка был встречен с "некоторым интересом". Планк на большее и не рассчитывал. Он еще сам не понимал колоссального значения своей работы.
А назавтра начинаются опять будни. Надо снова не торопясь пройти торным уже путем рассуждений и обосновать - попытаться обосновать - новую формулу. Но очень скоро Планк убеждается в том, что формула не желает обосновываться. Ей нет места в старой доброй почве классической физики.
Теперь уже не спеша проходят год за годом. Формулой Планка интересуются экспериментаторы, охотно пользуются ею в своих исследованиях теплового излучения. Но ни Планк, ни кто-либо другой не пытаются расширить поле деятельности планковских квантов.
Так проходит пять лет. И в широко известном немецком журнале "Физическое обозрение" появляется небольшая статья никому раньше не известного автора. В этой статье сотрудник швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн пытается объяснить совершенно необъяснимые свойства интереснейшего физического эффекта. Открытие этого эффекта связано опять же с именем Генриха Герца. А его исследование - с именем Филиппа Ленарда.
…Наверное, многие из вас прочли замечательную книгу Митчелла Уилсона "Жизнь во мгле". Помните одного из самых мрачных персонажей книги - профессора Ригана? Так вот, Риган - это портрет Ленарда, "пересаженного" на американскую почву. Талантливый исследователь, зараженный и в конце концов погубленный микробом неутолимого тщеславия.
Да это же драма шекспировского масштаба! Всего лишь за два года до открытия Рентгена Ленард, изучая "лучистую субстанцию", выпускает ее через тонкое металлическое окошко из разрядной трубки. И что же: она сохраняет свое действие в воздухе. Ленард получил первые рентгеновы лучи - но он не догадался об этом! Он думал, что в воздух выходят те же лучи, что и бегущие в трубке, - то есть электроны.
И лишь когда Рентген делает действительное открытие, Ленард спохватывается. Теперь он понял, мимо чего прошел. Теперь можно втихомолку локти кусать.
Ленард поступает иначе. Он начинает кричать на всех научных перекрестках о том, что первооткрытие знаменитых лучей принадлежит именно ему. Но физики не поддерживают его домогательств. Они согласны со старейшиной английских физиков Габриелем Стоксом, который ворчливо заметил, что "Ленард, быть может, открыл рентгеновы лучи в своем мозгу, тогда как Рентген направил их в кости других людей".
Так родилось озлобление. Ленард работает, но в душе он затаил ненависть ко всему научному миру. Пройдут долгие годы, и это подспудно тлевшее низменное чувство вдруг вспыхнет ярким пламенем. Вместе с гитлеровскими выродками Ленард будет рьяно изгонять из Германии "проклятую еврейскую теорию относительности" вместе с ее автором. И за измену науке, измену человечеству он получит свои иудины тридцать сребреников: гитлеровская "академия наук" торжественно переименует рентгеновы лучи в "лучи Ленарда". Что ж, Ленард достиг, чего хотел.