Этюды о свете

При вручении Планку Нобелевской премии член Шведской Королевской академии наук Экстранд заявил, что пройдет еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, добытые его гением. Но уже в 1911 году на I Сольвеевском конгрессе Планк сказал, что поиск законов излучения нельзя признать полностью удовлетворительным и что решение проблемы возможно лишь путем введения новой гипотезы, которая прямо противоречит основным представлениям. В нобелевской речи он заявил, что введение кванта действия еще не создает истинной теории квантов. А в 1943 году писал: возникла важнейшая проблема — «этой странной константе придать физический смысл».

Казалось бы, этот смысл уже найден. В учебной и научной литературе постоянная Планка характеризуется как квант действия, фундаментальная физическая константа, определяющая широкий круг явлений, для которых существенна дискретность величин с размерностью действия. Называют ее и масштабом делимости энергии кванта, коэффициентом пропорциональности. Наиболее точное значение величины константы получил нобелевский лауреат английский физик Брайан Джозефсон на основе эффекта протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой изоляторов — эффекта, названного впоследствии его именем. Эта величина — 6,626176(36)·10^-27 эрг·с.

Однако этого было явно недостаточно, чтобы ответить хотя бы на простые вопросы Ореста Хвольсона, автора всемирно известного курса физики: почему константа Планка так важна? Почему она вторгается, чтобы не сказать — суется, во все возможные физические явления? Что такое постоянная Планка?

«Неизвестно и непонятно!» — восклицал Хвольсон.

И мы можем лишь вторить ему.

Сам Планк называл открытую им постоянную таинственным вестником из реального мира. Таинственной называл ее и де Бройль, сетуя, что современная квантовая механика не стремится истолковать смысл константы.

Так, например, по-прежнему неизвестно, какой объект природы характеризует собой величина постоянной Планка. Получается нечто вроде улыбки Чеширского Кота из сказки Льюиса Кэрролла об Алисе в Стране чудес: величина чего-то есть, она установлена с точностью до восьмого знака после запятой, а самого «чего-то» как бы и нет. Оказывается, такое случается не только в сказке, но и в физике.

Приходится признать, что современная квантовая теория, несмотря на все ее достижения, зиждется не на капитальном фундаменте, а на двух весьма знаменитых, но чрезвычайно запутанных понятиях: кванта неизвестного содержания и константа, которой еще надо придать физический смысл.

И вот теперь, после всех этих блужданий в теоретических туманах, читатель, вероятно, будет сильно удивлен, если ему сообщить невероятный, но вполне достоверный факт: еще в начале прошлого века были даны объяснения и физическому смыслу постоянной Планка, и материальному ее носителю.

В 1905 году Эренфест показал, что величина постоянной Планка — это величина мельчайших частиц энергии, составляющих излучения. В 1911 году на Сольвеевском конгрессе Пуанкаре говорил, что величину постоянной Планка можно понять как атом энергии, поскольку она сохраняется неизменной. А Иоффе называл такие мельчайшие частицы энергии атомами света. Да и сам Планк в 1910 году предложил новую гипотезу, по которой излучения испускаются дискретными квантами с величиной константы. В 1924 году он предложил также принять, что энергия одного отдельного колебания источника света равна одному кванту.

Оставался лишь один шаг до великого открытия, равного открытию рентгеновских лучей, электрона и радиоактивности. Надо было просто признать существование в природе атома энергии, выраженного в полном соответствии с опытом величиной постоянной Планка.

Тогда этот шаг сделан не был.

В своем докладе на Сольвеевском конгрессе Планк отказывался от кванта энергии и говорил о постоянной с размерностью действия. Он неоднократно подчеркивал, что квантовая гипотеза является гипотезой не об энергии, а о действии, что она должна основываться не на элементах энергии, а на элементах действия. И хотя Пуанкаре и Лоренц возражали ему, сомневаясь в возможности сохранения действия, которое связано со временем, идея кванта действия все же возобладала над идеей атома энергии. Факт сохранения энергии, присущий понятию атома энергии, не стал доминирующим в характеристике константы, имеющей численное значение величины этой самой энергии.

Постоянная Планка в качестве самой маленькой «матрешки» современной физики остается таинственным вестником из реального мира.

В октябре 1871 года в лекции по экспериментальной физике Максвелл говорил: «Может быть, мы ошибаемся. Никто еще не видел отдельной молекулы и не имел с ней дела. Однако идея о существовании бесчисленного множества отдельных частиц, неизменных и подобных друг другу, проникнув в человеческое сознание, не может оставаться бесплодной».

Это замечательное рассуждение в равной степени может быть отнесено и к идее атома энергии света.

ЧУДЕСНЫЙ ДАР ПРИРОДЫ