Неизбежность странного мира

Сто волн доставили к берегам больше израсходованного камнем «нечто» и вместе с тем больше потерянной камней энергии. Так, может быть, это «нечто» и энергия — просто одно и то же?

Так, колеблющийся электрон излучает в пространство электромагнитное поле. Что оно такое? Тоже «нечто»! Как о самом электричестве, об этом поле нам нечего больше сказать. Но нам всего важнее, что оно несет в себе энергию. Оно уносит энергию источника колебаний порциями. И теперь мы можем хотя бы отдаленно представить себе, как проявляется в этих порциях волновая природа излучения. Частотой колебаний электромагнитного поля или длиною электромагнитных волн отличаются одна от другой разные порции, или кванты, световой энергии.

Можно записать математическими значками эту закономерность, и мы увидим, как выглядит знаменитая формула Планка:

E = hν

где h — всегда неизменная величина, «мировая постоянная»,

ν — частота колебаний,

E — энергия кванта.

Эта формула столь же прекрасна в своей удивительной простоте, как закон Эйнштейна для связи энергии и массы частиц. Нет, она еще проще. И в ней, как мы увидим, уже исчезает различие между полем и веществом…

«Фотон фиолетового света в два раза больше красного фотона». Услышав такую фразу, мы теперь вряд ли будем рисовать себе более «пухлую» фиолетовую корпускулу.

Как заманчиво было бы сравнить фотоны с плитками волнистой черепицы: все они одинаковы по размерам, но у фиолетовой плитки волнистость в два раза гуще, чем у красной, а стало быть, волны на ней в два раза короче, и материала пошло на нее в два раза больше, чем на красную соседку. Да вот несчастье — ничего нельзя сказать о геометрических размерах фотонов, и колеблется в них не сама энергия-масса, а напряженности (или силы) электрического и магнитного полей. Словом, угодить всем особенностям фотона в житейски понятном сравнении невозможно. Бесцельно искать для него механическую модель. Поиски обречены на неудачу!

Когда фотон взаимодействует с электроном и отдает ему свою энергию, ученые вспоминают бильярдные шарики — их столкновение. И невольно создается впечатление, что частица света — действительно частица, и только частица! Масса у нее есть? Есть. Это масса ее энергии. Направление движения есть? Есть. Это направление луча. Что еще нужно?

Когда фотоны огибают препятствия, ученые вспоминают о волнах, И теперь создается впечатление, что свет — действительно волны, и только волны! Колебания определенной частоты в электромагнитном поле есть? Есть. Непрерывность поля налицо? Налицо. Что еще нужно?

Получается: в одних случаях — град, в других — ветерок. А на самом деле? Такой вопрос волей-неволей срывается с языка. Между тем он бессмыслен. Бессмыслен, ибо и то и другое имеет место на самом деле! Поведение фотонов как частиц — физическая реальность. Поведение фотонов как волн — такая же физическая реальность.

Даже у плитки с волнистой черепицей можно с легкостью обнаружить похожую двойственность свойств. Когда она падает с крыши и ударяет прохожего по голове, он ни в алей-шей степени не замечает ее волнистости, зато сполна ощущает ее массивность. Но когда мальчишка пробегает мимо потирающего затылок невезучего пешехода и босой ногой наступает на уцелевшую плитку, он не получает никакого представления об ее массе, зато довольно болезненно чувствует ее волнистость. Какова же плитка на самом деле?

У фотона двойственная природа: он частица-волна!

Видите, история вовсе не вернулась «на круги своя». Световые корпускулы Ньютона сменились световыми волнами Гюйгенса, а затем пришли корпускулы-волны — «кентавры», как лет пятнадцать назад назвал их наш известный теоретик М. А. Марков. (Вспомнил о мифических полулюдях-полуживотных и западный философ-физик Ф. Франк).. Но и корпускулярность этих «кентавров» совсем не та, какой наделил Ньютон свои частицы, и волнообразность их совсем иного рода, чем думали прежде приверженцы волновой теории.

Представление о волнах-частицах или о частицах-волнах — завоевание физики XX века. И неисчислимы последствия этого странного представления. Они так неожиданны и так глубоки, что один из создателей науки о микромире — Луи де Бройль — назвал открытие двойственности волн-частиц «наиболее драматическим событием в современной микрофизике».

Если бы эти слова произнес писатель или историк, никто не удивился бы. Каждый только подумал бы, что говорить о физических идеях как о драматических событиях, пожалуй, не очень уместно; однако спорить тоже не стоит: известное дело — писатели любят выражать свои мысли красиво, а историки — патетически… Но тут о драматизме идей заговорил сам ученый! И мы еще не раз почувствуем его правоту.

А теперь надо вернуться к началу этих «путевых заметок», чтобы посмотреть наконец, как удается физикам сделать невидимое и неслышное явным.

Глава шестая