Мысль смелая, поскольку весь механистический ньютоновский мир состоит из частичек, и в нем наблюдается такое явление, как волны, состоящие из коллективного согласованного движения частичек среды, то почему бы свету не быть такими волнами, а? Волны на море – лучший пример согласованного движения частичек среды. Звуковые волны – тоже неплохой. Разница между ними только в том, что морские волны – поперечные, а звуковые – продольные, но это непринципиальное отличие. Главное, что математическая теория волновых колебаний у физиков была. Физики – народ ушлый, они изучали и отдельные физические тела, упруго сталкивающиеся, и их коллективное поведение, которое удобнее было описывать волновыми уравнениями.

Но вопрос тем не менее оставался: все-таки свет – это поток отдельных частиц, летящих прямо, как горошины, или это волновые колебания некоей упругой среды, состоящей из частиц, наподобие звуковых волн в воздухе? И что это за среда?.. А среда, полагал Гюйгенс, это некий все собой заполняющий мировой эфир, который подозрительно напоминал ньютоновское пространство, только был не пустым местом.^[5] Может, этот гипотетический мировой эфир и есть та самая абсолютная система координат?

Пока в среде физиков шли эти терки, мимо прокрался Томас Юнг и в 1801 году, в наполеоновскую эпоху, с помощью простейших опытов доказал:

– Ребята! Свет – это волны. Теперь, что хотите, то и делайте! – И сатанински расхохотался.

Пусть читатель извинит меня за мою прямоту, но я рассказываю все, как было. Пусть также искушенный читатель извинит меня за дальнейшие всем известные еще со школьной скамьи подробности, которые излагаются во многих научно-популярных книгах по физике и даже мною в разных книгах были изложены неоднократно. Я имею в виду описания легендарных двухщелевых экспериментов, которые мне снова придется описать и в этой книге тоже. Я же не могу отсылать читателя к другим источникам прямо в середине интересного рассказа. Наверняка есть люди, для которых это внове, ибо они плохо учились в школе, поэтому здесь я еще раз изложу ситуацию с самых азов – так, чтобы поняли даже девочки и двоечники. Мне это удастся легко! Потому что автор обладает редким талантом излагать сложные вещи простым языком. Так что следите за мыслью!..

Двухщелевые эксперименты стали самыми известными экспериментами в физике. Именно они перевернули мир…

Волны, как и любая физическая реальность, имеют свойства, присущие только им… Вообще, давайте разберемся, в чем принципиальное отличие волн от других физических штук типа табуретки или Луны. Луна и табуретка – это физические тела, то есть объекты. Если их швырнуть, они полетят по какой-то траектории. Луну даже швырять не надо, она и так летает вокруг Земли по эллипсовидной орбите.

А волна – это не объект. Волна – это процесс. Процесс согласованного движения мириадов частиц среды, в результате которого по среде бегут те самые волны сгущений или разряжений (в случае продольных волн) или пиков и впадин (в случае волн поперечных).

И процесс распространения волны имеет свои свойства. Волны обладают свойствами рефракции, дифракции и интерференции. То есть они могут огибать препятствия и складываться друг с другом. Там, где складываются горбушки волн, получается волна удвоенной амплитуды (высоты), а если горб встречается с впадинкой – они компенсируют друг друга. И волна гаснет. Ну, и еще, как всякому известно, волны характеризуются частотой (число колебаний в единицу времени) и длиной волны (расстояние между соседними горбами).

Понятно, что у объектов всего этого нет: ни частоты, ни длины волны, ни интерференции – две табуретки не начнут складываться, чтобы при встрече друг с другом образовать табуретку вдвое большего размера.

Хитрый, как сто чертей, Томас Юнг пропустил луч света через две расположенные рядом прорези в светонепроницаемой шторке, и на экране за шторкой образовалась чудесная интерференционная картина.

Если бы свет был частицами, картина на экране была такой.

Рис. 3

А она – вот такая. Волны интерферируют, образуя интерференционную картинку.

Рис. 4

Все! Баста! Разговор окончен! Таким вот простым способом была неопровержимо доказана волновая природа света. Расходимся…

Позже выяснилось, что свет – это электромагнитная волна. И теперь в каждом школьном классе висит чудесная цветная шкала электромагнитных колебаний, начиная от радиоволн и заканчивая жестким гамма-излучением. И примерно в середине этой шкалы есть маленький участок оптического диапазона. Тот самый свет.

Опыт Юнга был поставлен в 1801 году, и весь долгий девятнадцатый век наука знала: свет – это волны. Наверное, колебания некоего светоносного эфира, который мы раньше считали пустотой. Максвелл разработал теорию электромагнетизма, расписав формулы, которые нынче учат в школах и институтах. И все было прекрасно и удивительно в науке физике, которая, базируясь на ньютоновской механике, включала в себя также электродинамику и термодинамику (науку о распространении тепла).

Все было просто превосходно – до тех пор пока не случилась та самая катастрофа.

Вы, скорее всего, даже вспомните ее название из школьного курса. Поскольку то, что случилось, воспринималось именно как крах, физики отразили свои переживания в самом названии проблемы – «ультрафиолетовая катастрофа». Под зданием физики рванула настоящая бомба!

Поначалу не все физики поняли масштабы бедствия. Ньютонианская картина мира, дополненная теорией электромагнетизма Максвелла и термодинамикой Больцмана энд К0, была столь прекрасна, величественна и непротиворечива, что в храме физики к началу XX века заиграла органная музыка и воцарилось чинное благолепие. Что подчеркивается следующим историческим диалогом, который приводят многие авторы научно-популярных книг по физике (и я не исключение, потому вновь прошу прощения у тех, кто знает, о чем пойдет речь).

Диалог этот состоялся в 1874 году в стенах Мюнхенского университета между молодым человеком, выбиравшим свою жизненную стезю, и профессором физики Филиппом Жоли. Юноша колебался, какой путь выбрать – стать физиком или музыкантом. Он писал музыкальные пьесы, отлично играл на рояле и имел хороший голос. Но физика его интересовала тоже, и в математике парень разбирался отлично. Старенький профессор окинул взглядом студента и сказал:

– Молодой человек! Физика как наука кончилась: она практически завершена. Осталось сделать пару мелких уточнений, на которые вам, наверное, не стоит тратить жизнь.

– Да я в мировые звезды и не рвусь. – Ответил юноша. – Меня устраивают мелочи. Сделаю пару уточнений!

Звали этого молодого человека Макс Планк. В 1947 году «Нью-Йорк Таймс» назвала его одним из самых величайших гигантов мысли в истории цивилизации наряду с Эйнштейном и Архимедом. На надгробии этого человека вместо дат рождения и смерти выбито число, которое в физике называется «постоянная Планка». Это главная константа квантового мира…

Кстати, став физиком, Планк играть на рояле не перестал, и порой они с Эйнштейном, который приносил с собой скрипку, зажигали на пару. Думаю, музыка много потеряла…

Сам Планк был человеком трагической судьбы. Две его дочери умерли молодыми в родах. Старший сын пал на Первой мировой войне в знаменитой Верденской битве, известной как «Верденская мясорубка», где погибло тогда более миллиона человек. Младший сын был казнен в январе 1945 года за участие в покушении на Гитлера, которое организовал полковник фон Штауфенберг. В конце войны дом Планка был разбомблен, и старый уже к тому времени Макс Планк пошел со своей женой, оставшись без всего в этой жизни, куда глаза глядят.

А главной научной трагедией Планка было то, что этот человек, положивший начало квантовой механике и придумавший само слово «квант», так и не поверил в существование квантов. Он-то полагал, что его формулы – это всего лишь паллиатив, костыль, временное вспомогательное решение проблемы, пока физика не придумает что-то посущественнее и пореальнее его квантов. Но все дело в том, что он сам и был – физика! Планк стоял в самом ее передовом ряду и не было никого первее.

Так что же за проблемы возникли у физики в конце XIX века? Какая малая дырочка оказалась столь влиятельной, что разрушила плотину, через которую в физику хлынул целый новый мир, ранее не замечаемый?

Дырочек было две. Первая – несоответствие фактического положения Меркурия его теоретическому положению, просчитанному по ньютоновской механике. Вторая закавыка – та самая ультрафиолетовая катастрофа, которая заключалась в том, что как-то неправильно излучало абсолютно черное тело.

Что такое абсолютно черное тело?

Еще в 1860-х годах один из учителей Планка, Густав Кирхгоф, придумал модельный объект для мысленных экспериментов по термодинамике – абсолютно черное тело (АЧТ). По определению, АЧТ – это такое тело, которое поглощает абсолютно все излучение, падающее на него, и ничего не отражает. Кирхгоф показал, что АЧТ – это еще и лучший излучатель из всех возможных. Ведь тот факт, что абсолютно черное тело поглощает все излучение, говорит о том, что оно нагревается, а значит, излучает тепло (и свет при сильном нагреве)!

Самой распространенной моделью черного тела, которую приводят в пример школьникам, является сфера с внутренней зеркальной или черно-сажевой поверхностью и дырочкой, как на рисунке. Луч света, залетев в дырочку, попадает в ловушку и поглощается сажей или начинает бесконечно отражаться от стенок, потому что вероятность вырваться обратно у него очень мала.

Модель абсолютно черного тела. АЧТ – это не вся сфера, а только дырочка, в которую попадает свет и оттуда уже не вылетает.

Рис. 5

Естественно, как любой нагретый объект, черное тело излучает в широком диапазоне длин волн, причем, по мере нагрева пик излучения смещается в коротковолновую (высокочастотную) область. Ближайший аналог АЧТ – нагретый до красноты или белого каления кусок металла: чем выше температура куска металла, тем белее его свечение.

Так вот, расчеты, проведенные в соответствии с классической физикой, давали очень хорошее совпадение с экспериментом в области длинноволнового излучения (для не сильно нагретых тел), но для тел, нагретых сильно, то есть излучающих в области коротковолновой, классическая физика давала абсурдный результат – тело должно было излучать бесконечно большую энергию!

Это было крайне неприятно – увидеть такое в расчетах!

Зависимость энергии, излучаемой АЧТ, от длины излучаемых волн и температуры его нагрева. Крайняя правая линия, улетающая в бесконечность, – результат теоретического предсказания классической теории для тела, нагретого до температуры 5000 К. Прочие линии – результат эксперимента.

Рис. 6

Эту нелепицу устранил Макс Планк, сделав допущение, что энергия из АЧТ не льется сплошным волновым потоком, а излучается «поштучно», порционно – квантами. Квант есть маленькая неделимая порция. Причем энергия кванта пропорциональна его частоте, а коэффициентом пропорциональности служит некая величина, которую потом назвали «постоянной Планка».

Оформив это свое предположение математически, Планк внес поправки в формулы, и они дали прекрасное совпадение с экспериментом.

Сам Планк в свое предположение о квантах не верил. Ему казалось, что когда-нибудь его вынужденное допущение будет устранено. Однажды Планк гулял со своим сыном-подростком (которого через много лет казнил Гитлер) и на вопрос мальчика, чем отец занимается, ответил, что он или сделал открытие на уровне Исаака Ньютона, или занимается какой-то странной нелепицей.

В общем, Макс Планк, стоявший у истоков квантовой физики, человек, с которого кантовая физика началась! – в кванты не верил.

Вторым человеком, заложившим краеугольный камень в квантовую физику, был Эйнштейн со своей работой по фотоэффекту. И ему квантовая физика жутко не нравилась! Но он, как и Планк, был вынужден строить ее здание – сама природа заставила.

В двух словах напомню историю с фотоэффектом. Дело было так.