Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

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.

* * *