Он умер в 1947 году, когда советские люди уже забили осиновый кол в могилу "арийского духа" и похоронили мрачнейшую пору в истории человечества. Умер, непрощенный и забытый современниками.
Но история науки не забыла Ленарда. Она помнит, что важнейшими сведениями о фотоэффекте физика обязана ему.
Генрих Герц открыл, что ток в разрядной трубке усиливается, если освещать катод ультрафиолетовым светом. Двенадцать лет спустя, на самом пороге нового века, Ленард выясняет, что катод при таком освещении выбрасывает электроны. А еще спустя три года он обнаруживает сразу два поразительных свойства нового явления.
Оказалось, что электроны вылетают из катода лишь до тех пор, пока частота света не перейдет некоторый предел. После этого явление мгновенно исчезает - словно ножом отрезали. А если оно существует, то увеличение освещения увеличивает только число электронов, вовсе не меняя их энергию.
Оба эти свойства в корне противоречили тому, что предсказывала волновая теория света. В самом деле, не все ли равно, какая энергия поступает в металл вместе со световой волной? Раз она поступает, она должна приобретаться электронами. Она должна приводить к их вылету из металла. А чем больше эта энергия, тем большей должна быть и энергия электронов.
Между тем на опыте ничего даже близко похожего!
Кто же ответит на этот вопрос? А это зависит от того, кто первый не только воспримет новые представления Планка, но и усвоит их. Им оказался Эйнштейн.
Свет "работает" в фотоэффекте не как волны, показывает он. Свет ведет себя здесь как потоки частиц. Ударила такая частица по электрону, передала ему свою энергию - и вылетел он из металла. Но вылетел лишь в том случае, если ему передана достаточная энергия. Каждая световая частица несет с собой планковский квант энергии! Мал квант - нет фотоэффекта. А энергия кванта просто пропорциональна его частоте.
Чем сильнее свет, тем больше в нем квантов. А чем больше квантов, тем больше они могут выбить электронов, конечно, при условии, что у каждого из квантов хватит на это энергии. Ведь каждый квант света "ударяет" только по одному электрону.
Так… торжествующая победа волновой теории света над своей "корпускулярной" соперницей оказалась сомнительной. Проходит век, и та снова поднимает голову. Фотоэффект, который бессильны вызвать волны, вызывают частицы. Кажется, опять разгорится вековая война обеих теорий.
Нет, этого не произойдет. Оттого, что обнаружен фотоэффект, не перестали существовать интерференция, дифракция, поляризация света, а их никакими частицами не объяснишь. Свет - это и волны и частицы одновременно!
Но как это может быть, как это себе представить?! А представить это действительно трудно. Не один десяток лет физики двадцатого века вживались в это представление. С "частицей-волной" света - спустя двадцать лет из уст американского физика Гильберта Льюиса она получит название "фотона" - в науку вошла первая двуликая сущность. Время показало, что такой двуликости не избежать ни одному предмету нашего мира. Но об этом разговор еще впереди.
Казалось бы, фотоны могли и не ждать до 1905 года. Еще за двадцать лет до того Аристарх Аполлонович Белопольский, замечательный русский астроном, заметил, что хвосты у комет можно объяснить отталкиванием кометного вещества солнечными лучами.
Световое давление! Его действительно открывает и измеряет несколько лет спустя - не в бескрайних космических просторах, а в тесных стенах скромной лаборатории - столь же скромный Петр Николаевич Лебедев.
Град фотонов, бомбардирующих поставленную на их пути поверхность! "Застревая" в ней, отражаясь от нее, фотоны передают телу то количество движения, которым они обладали "в полете". Пусть очень слабеньким будет этот град, пусть Лебедеву для обнаружения его потребуется потрясающая по своей чувствительности аппаратура, - давление света прямо указывает на существование фотонов. Так же, как давление газа на стенки сосуда было за много лет до того объяснено существованием молекул, их ударами о стенки.
Все это так. Но волны тоже переносят с собой количество движения. Тоже отдают его телам, на которые "натыкаются" при своем распространении. И формула этого давления, которую теоретики вывели для света - электромагнитных волн, - отлично согласуется с первыми же опытами Лебедева.
Да, к сожалению, давление света - это одно из тех немногих явлений, где результаты расчета что с помощью электромагнитных волн, что с помощью фотонов - абсолютно одинаковы. Потому-то фотону и пришлось ждать еще несколько лет, пока не применили мысль о нем к другому, более "удобному" для его открытия явлению. Если уж говорить более точно, то была открыта не новая частица. Открыто было новое важнейшее свойство света.
Почему же в обыденной жизни никто из нас не замечал отдельных квантов света? Прежде всего, конечно, потому, что каждый из них несет с собой чрезвычайно малую порцию энергии. Но даже и не в этом главное, а в том, что они слишком быстро следуют друг за другом. Обычная двадцатисвечовая лампочка испускает в каждую секунду неисчислимые их полчища - 60 миллиардов миллиардов!
Не то что глаз, никакой самый быстродействующий автомат не сосчитает их все поодиночке. А на глаз пенять нечего: с очень неважной быстротой срабатывания (на том и основана иллюзия непрерывности смены кадров в кино) он соединяет неимоверно высокую чувствительность.
Много лет спустя замечательный физик Сергей Иванович Вавилов провел очень поучительный опыт. Он посадил в темную комнату человека, выждал, пока глаза его привыкнут к темноте, а затем включил очень слабенький источник света. Такой слабенький, что по сравнению с ним светлячок показался бы солнцем! Этот источник давал считанные кванты света в секунду. И что же? Глаз сосчитал их почти поодиночке!
Так в жизнь вошла вторая частица, рядом с которой люди жили веками, даже не подозревая о ее существовании. Частица света - фотон.
И не только света. Из фотонов состоят и радиоволны, и инфракрасные лучи, и ультрафиолетовые, и рентгеновы, и гамма-лучи. Все то, что называется электромагнитными волнами, может быть с равным основанием названо фотонами.
Понятно, что свою двуликую природу фотоны проявляют в разных явлениях. В одних они волны, в других - частицы. Отдать предпочтение какой-либо из "сторон медали" нет никаких оснований. Нет оснований и не будет.
Солнце атомного мира
Атом "в целом" электрически нейтрален. Атом "в нецелом" выбрасывает электроны. И не только электроны. Магнит, поднесенный к радиоактивному препарату, расщепляет вылетающие из него частицы на три пучка. Одни магнитный ветер сбивает вправо, другие - влево, третьи - оставляет без влияния. Мы уже догадываемся, что частицы в одном луче несут на себе отрицательный заряд, в другом - положительный, в третьем нет никакого заряда.
Об этом догадался шестьдесят лет назад и молодой ученик почтенного профессора Томсона. Он только недавно работает в тихой кембриджской лаборатории - этот молодой новозеландец. Он покинул далекую идиллическую страну на краю света, страну тучных пастбищ и голых гор, склоны которых залиты окаменевшими потоками лавы и окутаны паром гейзеров. Он переплыл моря и океаны, чтобы "приземлиться" в старинном английском городке и заняться физикой.
Сегодня такой поступок не вызвал бы никаких особых эмоций. Но в начале века, когда физиков, занимавшихся атомом, было куда меньше, чем хотя бы электронов в атоме урана, - над ним и склонился молодой Эрнест Резерфорд, - что ж, в те годы это было подвигом.
Подвиг в ожидании научных подвигов! Они не заставляют себя долго ждать. Первый из них - "разбор по косточкам" радиоактивного излучения. Несколько лет напряженной работы - и в 1903 году Резерфорд может сообщить ученому миру, что альфа-лучи - это потоки дважды заряженных положительным электричеством частиц, по массе очень близких к атомам гелия, а бета-лучи - это потоки незадолго до того открытых электронов. Гамма-лучи, как определяет Мари Кюри, сходны с рентгеновыми лучами.
Секрет происхождения гамма-лучей будет ждать окончательной разгадки еще добрых два десятка лет. Лишь в 1926 году немецкая исследовательница Луиза Майтнер докажет, что это - электромагнитное излучение, возникающее после радиоактивных превращений.
То, что из атома урана выбрасываются положительные частицы, Резерфорда не удивляет. Еще не нашлось в природе такого повара, который мог бы состряпать атом из одних лишь электронов. Они же мгновенно разлетятся в разные стороны, распихиваемые могучими силами взаимного отталкивания.
Значит, в атоме должен обязательно найтись такой положительный цемент, чтобы он мог связать воедино враждующие электроны. Как выглядит атом в таком случае? Наподобие пирога, полагает Томсон. Электроны - словно изюмины, увязшие в клейком тесте пирога. Похоже на пудинг - излюбленное блюдо англичан. Что ж, может быть и так - Резерфорд до поры до времени не сомневается в такой "картине". Правда, он часто обсуждает с коллегами и другие модели атома.
В 1909 году он вместе со своими учениками Эрнстом Марсденом и Гансом Гейгером ставит на пути радиоактивных излучений небольшие листочки металла. Установка предельно проста: ампулка с радием, тонкий металлический листочек, да еще экран - стеклянная пластинка, покрытая слоем цинковой обманки. Как выяснил Крукс, такой экран светится каждый раз, когда на него попадает заряженная частица.
Меняются листочки, двигается экран, а наши исследователи все сидят месяцами в затемненной лаборатории и считают вспышки. Непонятное начинается, когда экран устанавливается по ту же сторону листочка, что и препарат радия. Экран вспыхивает и при этом!