Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
Юнг считал, что объяснить результаты данного опыта, исходя из ньютоновской корпускулярной теории света, нельзя, в то время как появление светлых и темных участков по краям «может быть с легкостью выведено из интерференции двух встречающихся волн, которые либо усиливаются, либо взаимно уничтожаются». Наверняка его доводы показались вам убедительными, правда? В самом деле, как можно объяснить результаты опыта, основываясь на теории, будто свет состоит из мельчайших частиц? Ведь если к одним частицам прибавить другие частицы, получится еще больше частиц. То есть света.
Однако ньютоновская теория пустила в умах ученых мужей настолько глубокие корни, что к доводам Юнга прислушались лишь по прошествии десятка лет. И пускай на примере воды видно, что волны при ослабляющей интерференции друг друга уничтожают — предположение о том, что свет плюс свет равняется темноте, казалось слишком уж нелогичным. Шотландец Генри Брум, юрист и ярый поборник теории Ньютона, обрушился на Юнга со злобными нападками. На страницах принадлежавшей ему влиятельной газеты «Эдинбург ревю» Брум писал, что не обнаружил в доводах Юнга и «малейших признаков эрудиции, проницательности или изобретательности, которые могли бы хоть как-то оправдать отсутствие всякой мысли».{151}
Скептики замолчали только тогда, когда французский физик Огюстен Френель подтвердил аргументацию Юнга математическими выкладками. В сообщении Французской академии наук, сделанном в 1815 году, Френелю удалось блестяще объяснить интерферирующие края из опыта Юнга с помощью формул, основываясь при этом на волновой теории света. Наконец, общественное мнение начало меняться, и к середине XIX века научные круги пришли к единому мнению: свет определенно является формой волны.
* * *В декабре 1900 года немецкий физик Макс Планк, сам того не желая, внес в ряды ученых разброд и шатание.
Руководствуясь самыми благими намерениями, он задал вопрос «А что, если…», который явился головной болью для всех тех, кто принял волновую теорию света. В течение пяти лет Планк пытался разработать теоретическую модель того, каким образом свет, испускаемый нитью накаливания электрической лампы, зависит от температуры металла. В его изысканиях были крайне заинтересованы электротехнические компании, постоянно повышавшие качество выпускаемых ламп.
Оказалось, выявить связь между частотами волн света и температурой нити накаливания не так-то просто. Все знают, что железный прут в кузнечном горне по мере нагревания меняет цвет: сначала становится красным, потом — оранжевым, желтым и, наконец, раскаляется добела (и плавится). Тело испускает световые волны разной длины, однако преобладающая частота, наиболее яркий свет, изменяется с температурой. По мере увеличения температуры увеличивается частота наиболее яркого света — металл меняет цвет. Но вот вопрос: как именно преобладающая частота соотносится с температурой? Ни один физик того времени не мог найти этому явлению математического обоснования.
«Подумаешь!» — скажете вы. Ведь разгадка этого ребуса интересовала всего-навсего производителей ламп накаливания. Нельзя сказать, чтобы все английское общество того времени с замиранием сердца ждало ответа на «животрепещущий» вопрос. Однако предложенное Максом Планком математическое решение задачи подвигло Альберта Эйнштейна, которому на тот момент был двадцать один год, совершить в физике света очередной переворот. Высказанное невзначай предположение Планка повлекло за собой работы Эйнштейна и других ученых, в результате которых постепенно менялось наше представление о мире на атомарном уровне.
И тут уж вам придется принять идею о том, что видимый свет, как и остальные электромагнитные излучения, является волной окончательно и бесповоротно.
Планк предположил, что если тепло и свет, испускаемые разогретым металлом, принимают форму крошечных, неделимых «порций» энергии — ученый назвал их квантами, — то можно точно спрогнозировать, какая частота будет испускаться при той или иной температуре. Идею о существовании энергии в виде квантов Планк разработал исключительно для подгонки математических расчетов под экспериментальные данные; он предположил, что чем выше частота испускаемого света, тем больше энергии содержится в каждом из этих условных квантов. Сам Планк, как и остальные физики его времени, придерживался волновой теории света; он считал, что недалек тот час, когда испускаемые нагретым металлом свет и тепло объяснят с позиций волновой природы.
Однако спустя несколько лет, в 1905 году, запомнившемся в истории как annus mirabilis[65], Эйнштейн высказал мысль о том, что идея Планка о квантах — вовсе не математическая уловка. Имя Эйнштейна тогда еще никому не было известно; будущий великий ученый едва сводил концы с концами, трудясь клерком в одном из швейцарских патентных бюро. В 1905 году Эйнштейн публикует работу, в которой допускает, что электромагнитное излучение в действительности состоит из квантов энергии.{152}Что если, предположил Эйнштейн, эти невидимые «порции» энергии на самом деле существуют, являясь одной из физических характеристик света, относимого к электромагнитным волнам? Что если металлы, разогретые до состояния, при котором они начинают светиться, в действительности испускают отдельные «порции» энергии? Если так, то должно быть верным и обратное утверждение: металлы поглощают свет в виде разрозненных «порций» энергии. В случае экспериментального подтверждения этого допущения все наши представления о свете окажутся вновь перевернутыми с ног на голову.
Статья была опубликована в марте 1905 года; она стала первой из пяти прорывных работ Эйнштейна, написанных им в тот год. И они едва ли могут быть переоценены, поскольку явились фундаментом для будущего развития современной физики. Уже тогда у Эйнштейна появляются мысли, из которых позднее разовьется теория относительности. Однако сам физик из всех пяти работ считал действительно «революционной»{153} только ту, в которой предполагал, что свет состоит из неделимых «порций», или квантов энергии.
* * *Эйнштейн выдвинул гипотезу: если свет действительно испускается и поглощается в виде квантов, тогда, возможно, разные частоты или длины света, воспринимаемые нами как разные цвета, различаются количеством энергии, содержащимся в их квантах. В качестве опытного подтверждения своей гипотезы Эйнштейн сослался на фотоэлектрический эффект, который возникает при поглощении определенными металлами света.
Отличительная особенность металла заключается в том, что его электроны очень подвижны. Поэтому металлы — превосходные проводники электричества. Однако степень подвижности электронов в разных металлах разная — одни металлы проводят электричество лучше, нежели другие. Подвижность электронов состоит в том, что при попадании на металлический предмет света электроны от поверхности предмета отскакивают. Потерянные таким образом электроны можно подсчитать, поскольку металлический предмет, теряя отрицательно заряженные электроны, приобретает положительно заряженные. Данный эффект обязательно учитывают при конструировании космического корабля — солнечный свет, попадая на металлический корпус, вызывает нарастание положительного заряда, а это может нарушить работу аппаратуры. Кроме того, фотоэлектрический эффект лежит в основе принципа действия оптического датчика — важнейшего элемента в экспонометре фотоаппарата. А еще — в основе датчика, переключающего дорожный светофор, а также датчика ночника в детской. (В этих электронных устройствах электроны на самом деле не выбиваются с поверхности металла по мере поглощения света, а остаются в полупроводнике: переходят из статического состояния, при котором тесно связаны с атомами, в жидкое состояние потока, при котором возникают связи, подобные связям в металлах.)
Вслед за этим Эйнштейн предположил: если свет действительно состоит из квантов, тогда, возможно, в результате этого самого фотоэлектрического эффекта электрон выбивается с поверхности металла при поглощении кванта света. Если так, то количество электронов, отлетающих от металлической поверхности каждую секунду, будет зависеть от количества прибывающих за эту секунду квантов, то есть от интенсивности света. В то время как максимальная скорость, с которой они отлетают, будет зависеть от энергии в каждом кванте, их выбивающем, то есть от частоты света (иначе — цвета).
Десятью годами позже, в 1916 году, предположения Эйнштейна подтвердились.{154} Когда определенные металлы освещались красным светом, обладающим сравнительно низкой частотой, электроны с поверхности металлов не выбивались, каким бы ярким свет ни был. А вот при освещении зеленым светом, обладающим средней частотой, электроны покидали свои места с готовностью. Однако отлетали они с одной и той же максимальной скоростью, вне зависимости от того, насколько свет был ярким. Их скорость значительно возрастала, когда металлическую поверхность освещали пусть и совсем слабым, но фиолетовым светом, обладающим высокой частотой.
