«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Частицы. Макс Планк и Эйнштейн

...Частицы. Это так понятно, так просто. Они, наверное, круглые, аккуратненькие, как бильярдные Шары. Ученые любят это сравнение, когда заходит речь о любого рода частицах. И неспроста: физики мечтают о наглядности своих объяснений нисколько не меньше, чем писатели о выразительности своих образов. И сама природа тоже ведь любит эту экономную и ясную форму шара: Земля и Луна. Солнце и звезды — все они шарообразны. Наверное, и в микромире тоже все шарики, шарики, шарики — мал мала меньше, как в детской разъемной игрушке...

Размеры в природе совсем не важны: в мире звезд есть карлики и гиганты, а движением и тех и других все равно ведь управляют ясные и понятные законы небесной механики. Атомы тоже, говорят, подобны солнечной системе: вокруг шарообразного ядра вращаются шарики-электроны — в любой книжке так их рисуют. Как все хорошо и просто! А если еще и свет состоит из частиц, тогда совсем благодать. Снова шарики, снова микробильярд, снова испытанные, веками проверенные законы старой механики. Нет, правда, как славно все получается: единая картина строения материи устанавливается сама собой — мгновенно и необременительно!

Да здравствует частица света фотон!

...Мы размечтались, но не как древние натурфилософы; а как Маниловы — натурфилософы домашние, те, что, созерцая жучка на травинке, любят вздохнуть: «Как мудро устроено все в природе, пойти чайку попить, что ли?» Поглядывая на ночные небеса, люди такого склада любят задумчиво поговорить о простоте и гармонии в коловращении вселенной.

А в эти часы какой-нибудь бедняга физик, как уставший музыкант, разминает кисть руки: сколько бумаги изрисовано лебедиными шеями интегралов и верблюжьими горбами кривых, а непредвиденные противоречия не исчезают — старая теория и новые факты расходятся! Надо будет еще долго работать, думать, спорить, томиться непониманием, выискивать обходные пути.

«Вы сочинили и напечатали в своем умном сочинении, —• как сказал мне Герасимов, — что будто бы на самом величайшем светиле, на Солнце, есть черные пятнушки. Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда... И для чего на нем пятны, если и без них можно обойтить- ся?» — так писал ученому соседу чеховский домашний натурфилософ, отставной урядник Войска Донского.

Мечты о материи, построенной из шариков, очень похожи на это желание «обойтиться без черных пятнушек». Может быть, природа и устроена просто, да только заранее решительно неизвестно, что это значит. Простота почему-то любит притворяться сложной и необъяснимой. И это вечное ее притворство.

«Не обижайтесь, что я вам так мало пишу. Демон проблем безжалостно сжимает меня в своих когтях и заставляет предпринимать отчаянные усилия, чтобы преодолеть математические трудности... Думаю, что я, наконец, ухватился за краешек истины», — так писал ученому другу величайший физик современности, одно из открытий которого и навело нас на этот разговор, Альберт Эйнштейн.

Даже самые проницательные из ученых скромнее домашних мудрецов. Краешек истины, только краешек! — для них это прекрасная награда за отчаянные усилия. И они не смущаются тем, что такой краешек может выглядеть неправдоподобно странно — была бы уверенность, что это «высунулась истина».

Фотон не упростил картину мира — не превратил материю в Сахару бильярдных шариков. То, что последовало позже за его открытием, выявило в этой картине удивительные черты. Домашние натурфилософы (даже с учеными степенями!) до сих пор пожимают плечами: «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». Впрочем, в физике таких урядников, кажется, уже не осталось. Они сохранились в других науках о природе. Это они противятся вторжению современной физики в биологию, как еще недавно противились вторжению кибернетики в технику, словно естествознание не едино, словно не едина материя во вселенной.

Судьбы научных идей драматичны, если знакомиться с ними не по учебникам.

Все на свете имеет свою историю. За пять лет до появления идеи фотона в научном языке появилось слово «квант». В 1900 году, как бы начиная новый век, оно впервые прозвучало на заседании Немецкого физического общества, когда берлинский профессор Макс Планк докладывал о выводе новой формулы, относящейся к тепловому излучению.

«На следующий день утром меня разыскал коллега Рубенс и рассказал мне, что после заседания, глубокой ночью, он сравнил мою формулу с данными своих измерений и всюду нашел радующее согласие», — так писал позднее Планк.

Проблема была частная, но глубокая. Планк — тихий, педантичный, строгий, очень немецкий ученый — работал над решением трудной задачи много лет. Успех пришел к нему тогда, когда он отважился на гипотезу, о которой никто не посмел бы сказать, что она была «тиха и педантична». Уже более полувека ее называют дерзкой, революционной, великой гипотезой. И это легко понять: он взглянул на излучение новыми глазами, он различил в нем черты, до него никем не замеченные, — черты вещества!

Он высказал мысль, что энергия излучается и поглощается отдельными порциями. «Сколько» по-латыни — «квантум». Планк назвал эти порции квантами, не подозревая, что еще при его жизни возникнут и разрастутся многочисленные ветви современной физики, в названии которых будет неизменно присутствовать придуманное им для решения одной — только одной! — задачи коротенькое и очень простое по происхождению слово. Квантовая механика, квантовая статистика, квантовая электродинамика... Появилось существительное «квантование», глагол «квантовать», причастие «квантованный»... Пожалуй, ни один писатель не удостаивался чести бьпь изобретателем так быстро и так прочно укоренившегося слова. И какого слова — знаменующего целую эпоху в мышлении исследователей природы!

Вещество прерывисто, зернисто. Это кажется очевидной истиной. Но энергия — как может быть прерывистой или зернистой она? А гипотеза Планка как раз это и утверждала. Его кванты были как бы атомами — в подлинном смысле неделимыми порциями — энергии излучения. Порции меньшей, чем квант, или равной миллиону квантов с осьмушкой тело 1не может ни излучить, ни поглотить. Кванты не дробятся!

Эта мысль была так неожиданна, что сам Планк сначала смотрел на нее только как на рабочую гипотезу: иначе правильная формула не получалась. Специалисты по тепловому излучению irie принимали эту идею всерьез, а физики других специальностей несколько лет не обращали на нее никакого внимания.

Об этом вспоминает известный теоретик Макс Борн: он не слышал в ту пору о квантах ни в Геттингенском, ни в Кембриджском университетах — двух передовых научных центрах тогдашней Европы. Зато он, наверное, мог бы услышать о них в Москве, в старых университетских корпусах на Моховой: там работали два выдающихся физика — Б. Голицын и Н. Михельсон — прямые предшественники Планка, у которых его идея не могла не встретить сочувствия. Но дело это уже давнее, и гадать сегодня о возможном и неслучившемся бесполезно.

Так или иначе, первый год нашего века стал годом рождения «квантовой эры» в естествознании. И здесь нельзя не рассказать, как история физики подшутила над учителем Макса Планка — профессором Мюнхенского университета Филиппом Жолли.

Этот ученый, в свое время довольно популярный, принадлежал к разряду тех ограниченных людей без воображения, которые в любую эпоху склонны думать, что «все главное сделано до нас», что настоящее всегда беднее прошлого, а будущее ничего особенного не обещает. Таким людям всегда казалось и кажется, что человечество уже не ждут впереди истинно великие открытия, что основные законы природы уже установлены и дело только за тем, чтобы уточнять детали и дорисовывать подробности в физической картине мира. Такие люди пророчат детям лишь один удел — исправно и покорно следовать дорогой отцов-

Макс Планк запомнил тот день, когда он, совсем еще юноша, пришел к семидесятилетнему профессору Жолли и сказал, что намерен посвятить свою жизнь теоретической физике. «Молодой человек, — предупреждающе сказал учитель ученику, — зачем вы хотите испортить себе жизнь, ведь теоретическая физика уже в основном закончена... Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?»

Филипп Жолли умер в 1884 году, не услышав, как его ученик произнес слово «квант».

Но это не все. Уже произнеся свое знаменитое слово, сам Планк еще не догадывался, как круто свернул он с дороги отцов. И вся опрометчивость былого предупреждения Филиппа Жолли открылась ему не в 1900 году, а гораздо позже, когда другие исследователи (и первым из них — Альберт Эйнштейн) превратили его «рабочую гипотезу» в одну из принципиальных основ всей современной физики. Тогда-то, уже в старости, чествуемый как родоначальник квантовой теории, Планк рассказал во всеуслышание о своем давнем разговоре с Жолли, рассказал с улыбкой, словно о чем-то нелепо анекдотическом.

Между тем... Между тем нельзя не заметить, что история подшутила и над самим Планком. В своем подчеркнуто настороженном отношении к собственной гениальной гипотезе квантов он тоже, хотя и совсем по-иному, оказался перед лицом младших современников (прежде всего — перед лицом Эйнштейна) в положении отца, не советующего детям доверяться новым дорогам.

В 1900 году Эйнштейн был ровно в два раза моложе Планка: 21 год и 42 года. Молодого, еще безвестного швейцарского учителя математики и физики, только что сдавшего дипломный экзамен, уже «мучил демон проблем». А был швейцарский учитель начинающим теоретиком совсем иного склада, чем берлинский профессор.

Как бы сделать это психологическое различие ясным, не прибегая к утомительным рассуждениям?

...Оба великих физика любили музыку, оба серьезно занимались ею. Эйнштейн был скрипачом, Планк — пианистом. Рассказывают, что Эйнштейн не только прекрасно исполнял любимые вещи, но и охотно пускался в импровизации, подчиняясь неожиданному зову души. Планк был знатоком музыкальной классики и работал над теорией музыки. Одно время он читал в Берлинском университете лекции по этому предмету. (Известно, что в годы юности он даже колебался в (выборе будущей профессии, не зная, стать ли ему ученым или музыкантом.)

Академик Абрам Федорович Иоффе слушал обоих и восхищался их мастерством, однако, как он сам говорил, «совсем по-разному». Игра одного пленяла виртуозной техникой и академической строгостью, игра другого поражала глубокой музыкальностью и необычайной выразительностью.

«Как различны были, -- вспоминал Иоффе, — размеренный поток звуков у Планка и задумчивая скрипка Эйнштейна!»

Вот в этом, быть может, заключалась и разница между ними как учеными-мыслителями, разница темпераментов и всего духовного строя: осмотрительный педантизм у одного и глубокий артистизм у другого.

Эйнштейн принял всерьез замечательную идею Планка: он увидел в ней не просто временную и удобную «рабочую гипотезу», а краешек открывшейся истины. И он крепко ухватился за этот краешек, первым почувствовав всю революционность планковского представления о порциях излучения. Как в музыке, его увлекала в формулах не одна их строгая математическая гармония, но раньше всего их тайный, порою совершенно неожиданный и словно бы незаконный физический смысл.

Абрам Федорович Иоффе не раз рассказывал, как в свое время, в десятых годах, уже маститый Планк убеждал его, молодого ученого из России, очень осторожно обращаться с идеей квантов — «не идти дальше, чем это крайне необходимо» и «не посягать на самый свет». Это предостережение было вызвано как раз тем, что такое посягательство, не заботясь об осторожности, уже совершил Альберт Эйнштейн.

Уже совершил! Это произошло в 1905 году.

Эйнштейну в отличие от Планка больше всего хотелось идти дальше. Он, по выражению Иоффе, «увидел в квантах не удачный математический прием, а средство вскрыть существо света». И он увидел это еще тогда, когда представление о квантах излучения не встречало одобрения в среде известнейших физиков мира, когда о «порциях энергии» либо молчали, либо говорили с усмешкой, когда кванты смущали мысль даже самого их первооткрывателя.

Невезучий школьный учитель, в поисках сносного заработка ставший инженером-экспертом третьего класса в Швейцарском бюро патентов, еще никому не ведомый теоретик опубликовал в 1905 году в одном и том же томе знаменитых «Анналов физики» три статьи за подписью Эйнштейн-Марити (или Марич — это была фамилия его первой жены). Все три работы навсегда вошли в историю естествознания. Но здесь достаточно сказать о двух: в одной была изложена теория относительности, в другой — квантовая теория света.

Набегающие морские волны размывают берега. Порывы налетающего ветра заставляют осыпаться колосья. Световые «волны должны были бы «размывать» вещество.

Это действительно происходит. Падающий свет расшатывает электронные оболочки атомов — он заставляет их «осыпаться», как зерна в колосе. Иначе и быть не могло бы: куда же девалась бы энергия световых волн, если бы при поглощении света веществом ее не перехватывали легкие атомные частицы?

Семьдесят лет назад тонкие опыты блестящего московского физика А. Столетова всех убедили в существовании необычного электрического тока — фототока. Позднее стало ясно, что это текут ручейки электронов, осыпающихся с поверхности металла под действием света. На принципе возбуждения светом такого тока будут когда-нибудь работать на Земле мощные солнечные электростанции — бесплатная энергия солнечного света будет прямо превращаться в энергию движения электронов по проводам. В Новой Зеландии, кажется, уже работает первая небольшая станция этого типа.

Но как обманчивы простые сравнения! Волны света, набегающие на вещество, подобны морским волнам или волнам налетающего ветра... Что может быть яснее и понятней? Лучше не придумаешь. Однако вот другое сравнение: свет падает подобно граду, что сечет колосья и заставляет зерна осыпаться, как и под порывами вегра. Разве такое сравнение хуже? Нисколько.

А различие между этими двумя картинами громадно. Порывы ветра — воздушные волны — приносят непрерывный поток энергии. Он то гуще, то разреженней, но он непрерывен и «размазан» по всему пространству, захваченному волной. Поток энергии в падающем граде прерывист, разбит на отдельные порции, собран в «кулачки», а не «размазан». Каждая градинка приносит свою долю — свой целый квант. Если все градинки падают с одинаковой скоростью, энергия каждой зависит только от ее массы: чем массивней градина, тем энергичней она, тем с большей легкостью отлетает зернышко от колоса под ее ударом.

Вот пронесся над полем ветерок и затих. Он сумел повернуть крылья мельницы на пол-оборота. Вот пронесся слабенький град и перестал. Под его ударами крылья мельницы повернулись тоже на пол-оборота. Поток энергии ветерка и поток энергии града были одинаковыми. Однако посмотрите на поле: там, где пронесся ветерок, все колосья шевельнулись, но ни один не осыпался — у слабой «размазанной» воздушной волны не хватило сил оторвать зерна. А там, где выпал град, хоть и был он тоже слабенький, зерна в разных местах усеяли землю — это зависело от меткости градинок. Зато в других местах, куда крупицы небесного льда вовсе не попали, колосья остались совершенно неподвижными.

Как не схожи между собой эти две картины! А ведь общая энергия ветерка и града была одной и той же. Стало быть, результат зависел как бы от «внутреннего строения» потока энергии, а не только от его общей величины.

Так вот, если атомы вещества — колосья, а электроны в атомах — зерна в колосьях, то с чем сравнить падающий и поглощаемый при этом свет — с налетевшими волнами ветра или с выпавшим градом? Какое сравнение справедливей? Очевидно, надо присмотреться к судьбе, постигшей зерна — электроны.

Факты накапливаются в науке непрерывно. Задолго до Эйнштейна перед беспристрастными экспериментаторами от-* крылась картина, которую никак нельзя было объяснить набеганием непрерывных волн энергии. Один из необъяснимых фактов выглядел особенно странно: даже самый слабый свет выбивал электроны с поверхности металла. Правда, ос* еобожденных электронов появлялось при этом мало, но все- таки они появлялись: вызванный светом фототок едва-едва отклонял стрелки приборов, но все-таки отклонял... А ведь для ионизации любого атома — для полного разрыва связи электрона с ядром — нужна, как мы уже знаем, определенная конечная энергия, другими словами — нужен минимум энергии, ниже которого дело не пойдет! Так у волн ветерка, если он уж очень слаб, может и не хватить силенок осыпать колос. Между тем даже у самого слабого, самого неяркого потока света силенок на это всегда хватало. В чем же тут было дело?

Теперь-то мы понимаем, что все немедленно объяснилось бы, если б слабенький луч света был не тихой волной, а потоком градинок — пусть редким потоком, но все-таки потоком частиц. Тогда стало бы ясно, что отдельные его крупинки, как бы мало их ни было, умудряются попасть в электроны и передают при этом энергию, достаточную для отрыва от ядра. А чем сильнее поток света, тем больше градинок совершат такой же акт, потому что вероятность попаданий возрастет.

Надо было только по-новому взглянуть на световой поток. Только! Однако это значило посягнуть на волновую теорию света. От такого-то посягательства и предостерегал Макс Планк молодого Иоффе, когда тот взялся за развитие взглядов Эйнштейна. «Напечатаете ли вы мою статью в «Анналах»?» — спросил Иоффе у Планка. С широтою большого ученого Планк ответил, что, конечно, не будет возражать против ее опубликования, но с честностью человека, не умеющего идти против своих убеждений, заметил, что ему было бы больше по душе, если б статью принял к печати второй редактор «Анналов физики», Вин. «Я буду огорчен, — примерно так сказал Планк, — что опубликована статья, в которой сделан еще один шаг в сторону от классической теории света».

Взглянуть по-новому на световой поток означало увидеть прерывность там, где прежде, по убеждению исследователей, господствовала лишь непрерывность. А такие крутые повороты во взглядах всего труднее даются людям. Это как раз и есть то самое, что в жизни мы часто называем «ломкой сознания».

Рабочая гипотеза Планка, вопреки его глубокой приверженности к классическим представлениям, подготовила эту ломку: возникло неклассическое представление о квантах как о порциях испускаемой и поглощаемой энергии.

В физике, словно бы в магазине, появилось объявление: «Отныне энергия излучения отпускается только квантами!» Совсем как в отделе штучных товаров. Но еще думалось, что это только способ отмеривать энергию, который природа придумала по непонятному капризу, а на самом-то деле излучение непрерывно.

В поисках объяснения меклассических странностей фотоэлектрического эффекта, или проще — фотоэффекта, Эйнштейн решительно пошел на «ломку сознания». Он увидел в квантах физическую реальность. Он увидел, что свет и вправду оборачивается градом.

Так появились фотоны — частицы света.