Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

что открыл новый закон природы, и верил, что его можно вывести из ранее известных. Поэтому он стремился теоретически обосновать закон излучения, исходя из простых посылок кинетической теории материи и термодинамики. Последовало два месяца непрерывной работы и предельного напряжения сил. Ему это удалось. Но какой ценой!

В процессе вычислений он вынужден был предположить, что энергия излучения Е испускается порциями (или квантами), которые определяются формулой

E = hv,

где v — частота излучения, а мировая константа h называется с тех пор постоянной Планка. В этом — и только в этом — случае удавалось вывести правильную формулу для спектральной функции и(v,Т).

Формально предположение Планка было предельно ясным и простым, но по существу противоречило всему прежнему опыту физики и годами воспитанной интуиции. Вспомните, мы много раз подчеркивали, что излучение — это волновой процесс. А если так, то энергия в этом процессе должна передаваться непрерывно, а не порциями — квантами. Это неустранимое противоречие Планк сознавал как никто другой. Когда он вывел свою знаменитую формулу, ему было 42 года, но почти всю остальную жизнь он страдал от логического несовершенства им же созданной теории. У последующих поколений физиков это чувство притупилось: они уже знали готовый результат и перестали над ним задумываться. Но сам Планк был воспитан на традициях классической физики и целиком принадлежал ее строгому неторопливому миру. А вышло так: разрешив многолетнюю проблему в теории излучения, он нарушил тем самым логическую стройность классической физики. Для Планка это было большим потрясением. Вновь и вновь он задавал себе один и тот же вопрос: «Не слишком ли дорогой ценой достигнуто решение этой, в сущности, очень частной проблемы?» Двадцать лет спустя в докладе, который Планк произнес по случаю вручения ему Нобелевской премии по физике, он вспоминал, что в то время признание реальности квантов было для него равносильно «нарушению непрерывности всех причинных связей в природе». И даже в 1933 г. в письме к Роберту Вуду он назвал свою тогдашнюю гипотезу «актом отчаяния».

Ощущение произвола, которое испытывает неискушенный человек при первом знакомстве с формулой Планка и с историей ее открытия, на самом деле обманчиво. Гипотеза о квантах — не результат умозрения, она возникла как следствие тщательного анализа и обобщения точных опытов. Конечно, чтобы придумать ее, одного анализа мало: необходима еще и сила мысли, и взлет фантазии, и смелость перед лицом неожиданных предсказаний теории.

Ученые Рэлей, Джинс, Вин и до Планка предлагали различные формулы для описания спектра абсолютно черного тела. (Среди этих попыток следует вспомнить и работу Владимира Александровича Михельсона (1860—1927), которая решительным образом повлияла на направление исследований Вина.) Но каждый раз экспериментаторы Отто Люммер (1860—1925) и Эрнст Принсгейм (1859—1917) после тщательных измерений решительно отвергали их как несовершенные. Только формула Планка удовлетворила ученых: она поразительно совпадала с результатами опытов, хоть и не становилась от этого более понятной. Только четверть века спустя новая наука — квантовая механика — объяснит истинный смысл революции, которую, подчиняясь логике научного исследования и во многом вопреки своей воле, совершил в физике Макс Планк.

В пятницу 14 декабря 1900 г. в зале заседаний Немецкого физического общества родилась новая наука — учение о квантах. Сухо и обстоятельно ординарный профессор физики Макс Карл Эрнст Людвиг Планк прочел перед небольшой аудиторией сугубо специальный доклад «К теории закона распределения энергии в нормальном спектре». В тот день мало было людей, которые понимали величие момента: плохая погода или логические противоречия теории, вероятно, занимали аудиторию больше. Признание пришло потом, и лишь много позже осмыслили значение постоянной Планка для всего атомного мира. Она оказалась очень маленькой:

h=6,626075·10-27 эрг∙с,

но именно она открыла дверь в мир квантовых явлений. И всегда, когда мы из мира привычного и классического хотим перейти в мир необычный и квантовый, мы должны пройти через эту узкую дверь.

ВОКРУГ КВАНТА

До и после Демокрита

Корни и истоки идей атомизма до сих пор остаются загадкой для историков науки, хотя некоторые факты можно считать вполне надежно установленными. Индийский мудрец Канада, что в переводе означает «пожиратель атомов», жил задолго до Демокрита. В VII веке до н. э. он основал философско-религиозное учение, в котором понятие атома было основным. Согласно Канаде, познание достигается при посредстве шести положительных категорий: субстанция, действие, различие, внутренняя связь, качество и общность. Субстанция, в свою очередь, существует в девяти видах: пяти материальных (земля, вода, воздух, свет, эфир) и четырех нематериальных (время, пространство, душа, сознание). Пять материальных видов субстанции построены из атомов, мельчайшая частичка в природе — это пылинка в солнечном луче: она состоит из шести атомов, причем каждые два соединены попарно «волею бога или еще чем-либо».

При всей наивности конкретных представлений об атомах следует отдать должное четкости постановки самой проблемы и тщательности выделения философских категорий. В частности, Канада отчетливо понимал, что «о существовании атомов мы узнаем не восприятием, а рассуждением», и приводил пример таких рассуждений: если бы материя была делима до бесконечности, то не было бы качественного различия между горой и горчичным зерном, ибо «бесконечное всегда равно бесконечному».

Знал ли Демокрит об учении Канады? Вполне вероятно: он много и долго путешествовал и, по некоторым свидетельствам, посещал Индию. Был ли он в таком случае оригинален? Несомненно. Чтобы убедиться в этом, достаточно представить себе разницу эпох, в которые жили оба мыслителя, различие традиций, духовного склада и стиля мышления Востока и Запада.

Среди предшественников Демокрита называют также финикиянина Мосха Сидонского, жившего в XII веке до н. э., во времена Троянских войн, и учителя Демокрита Левкиппа из Милета. О сути учения Мосха ничего достоверного не известно, но если история на протяжении более трех тысячелетий сохраняет имя человека, который не был ни царем, ни полководцем, то, похоже, он действительно оставил после себя

нечто важное, хотя и утраченное впоследствии. О Левкиппе не известно практически ничего: ни время его рождения, ни труды, написанные им. Аристотель называет Демокрита учеником-другом Левкиппа и повсюду упоминает учителя в связи с его учеником. История сохранила эту традицию.

Учение Демокрита воспринял и умножил античный философ Эпикур (341—270 гг. до н. э.), который оставил после себя школу, или, точнее, братство единомышленников, просуществовавшее около шести веков. Труды Эпикура точно так же, как и трактаты Демокрита, не сохранились, и о его естественно-научной философии мы узнаем теперь из поэмы римского поэта и философа