Страница 30 из 76
Обнаружить этот эффект в случае света не легко. Ожидаемая разность частот очень мала. Но Эйнштейн придумал простой способ преодоления этой трудности. Он решил пропускать исследуемый свет через среду, показатель преломления которой заметно зависит от длины волны света. Он выбирает сероуглерод. В таких средах скорость света зависит от частоты, поэтому волны различных частот пойдут разными путями. Расчет показал, что полуметровый слой сероуглерода позволит легко произвести измерение и отличить «тон» света, излученный атомом до и после щели. Так — выглядит опыт с волновой точки зрения.
С квантовой точки зрения атом излучает не волну, а квант — порцию света, фотон. Энергия фотона, а следовательно, частота излученного света определяется только внутренней структурой атома. Свойства фотона не зависят от того, излучил ли его атом до щели или после пролета мимо нее. Ведь свойства излучающего атома не зависят от его положения относительно щели. Никакой разницы частот фотонов, излученных до и после пролета атома мимо щели, не может быть.
Вот он, решающий опыт, судья, могущий вынести приговор — что есть свет: поток фотонов или волн?
Прошел год, прежде чем физики услышали что-то новое, касающееся задуманного опыта. Эйнштейн публикует две небольшие статьи, чрезвычайно характерные для него. Эйнштейн признает и анализирует допущенные им ошибки. Одна относится к знаменитой работе ленинградского физика Фридмана, сделавшего важнейший вывод из общей теории относительности, вывод, не замеченный автором теории. Сперва Эйнштейн счел эту работу ошибочной, но вскоре убедился в том, что Фридман прав, а ошибся он сам. Об этом Эйнштейн немедленно сообщил в том же журнале, где он критиковал Фридмана.
Вторая из двух статей касается запланированного опыта. Она начинается с краткого изложения идеи опыта и с сообщения о том, что Эрнфест и Лауэ высказали сомнение в его рассуждениях. Лауэ считает, что подробный анализ распространения света в сероуглероде и подобных ему средах, основанный на волновом подходе и учете эффекта Допплера и опирающийся на статью Эйнштейна, приводит к противоречию со вторым началом термодинамики. Значит, анализ, опубликованный Эйнштейном, не полон.
Пройти мимо этого было невозможно. Эрнфест и Лауэ — ближайшие друзья и единомышленники Эйнштейна. Лауэ, кроме того, энергично защищал его от нападок черносотенных реакционеров.
Критика друзей побудила Эйнштейна более подробно изучить волновую трактовку запланированного опыта. Он понял, что ошибся. Предсказание волновой теории при точном математическом анализе совпало с тем, что дает элементарное рассуждение на основе квантовой теории. Так впервые было установлено, что в случаях, когда к анализу явления могут быть применены как волновая, так и квантовая теории, противоречия между ними возникают лишь при недостаточно полном анализе: если не учитываются существенные детали или если вычисления проводятся недостаточно точно. При точном рассмотрении противоречия исчезают. Опыт, проведенный Гейгером и Боте, совпал с тем, что теперь дружно давали обе теории.
Так прошел 1922 год. К этому времени шар, брошенный Эйнштейном в 1916 году, перелетел через океан и попал в руки профессора Комптона. По склонности он был экспериментатором, но превосходно владел методами теории. Именно он стал крестным отцом кванта света и нарек его фотоном — частицей света. Он понял намек, содержащийся в статье Эйнштейна. Комптон решил подтвердить опытом вывод Эйнштейна о том, что фотон, взаимодействуя с веществом, ведет себя как бильярдный шар, что, столкнувшись с частицей, он обменивается с ней не только энергией, но и импульсом.
В то время физикам были известны только две элементарные частицы вещества: электрон и протон. Фотон еще далеко не всеми считался настоящей частицей. Комптон отчетливо понимал сложность задачи. Если частица входит в состав атома, то квантовая структура самого атома чрезвычайно усложнит обработку опыта. Но работать со свободными частицами невероятно трудно. Дело осложнялось и тем, что импульс фотона видимого света очень мал. Комптон догадался, как одним ударом преодолеть обе трудности. Нужно работать не с фотонами видимого света, а с фотонами рентгеновских лучей. Их импульс в 10 тысяч раз больше.
По сравнению с энергией рентгеновских фотонов, энергия связи внешних электронов атома с его ядром ничтожно мала. Для рентгеновских фотонов электрон, связанный с атомом до соударения, ведет себя при соударении как свободная частица. Все стало просто. Мысленный опыт: поток шариков от игрушечного детского бильярда направляется на большие бильярдные шары. Реальный опыт: поток фотонов бомбардирует электроны, входящие в атомы мишени. Фотоны аналогичны шарикам детского бильярда, электроны — большим шарам, ведь масса фотона обусловлена только его энергией и мала по сравнению с массой электрона. При столкновении выполняются два закона: закон сохранения энергии и закон сохранения импульса. Фотон передает электрону часть своей энергии и часть своего импульса. То же будет при столкновении маленького шарика с большим. Полный обмен возможен, только если шары одинаковы. Значит, столкнувшись с электроном, фотон полетит дальше, изменив направление полета и свою энергию, то есть длину волны. Простой расчет показал, как длина волны изменяется в различных направлениях. Результаты опыта полностью совпали с расчетом. Опыт Комптона оказался таким же решающим подтверждением квантовой природы света, каким наблюдение Эддингтона стало для общей теории относительности.
Примерно через год после выхода научного журнала со статьей Комптона газета «Берлинер Тагеблат» попросила Эйнштейна разъяснить читателям значение этого опыта.
Эйнштейн относился к каждому человеку со столь большим уважением, что не мог ни отказаться, ни ответить сухо или лаконично, как это сделало бы большинство ученых, углубленных в свое дело и ценивших время. Мало кто был способен к столь полному и постоянному самоуглублению, как Эйнштейн. Но свой долг перед человечеством он ставил превыше всего. Он ответил статьей, которая подчеркивает органичную связь между открытиями науки и жизнью общества. Заголовок «Эксперимент Комптона» снабжен подзаголовком «Существует ли наука ради самой науки?»3.
«На этот вопрос, — пишет автор, — с одинаковой решительностью можно ответить и «да», и «нет», смотря по тому, как его понимать. Ученые должны служить науке ради самой науки, не задумываясь о практических результатах. Иначе, потеряв из виду фундаментальные закономерности, наука захирела бы. Она не выполняла бы также и своей великой просветительной миссии, заключающейся в том, чтобы пробуждать и поддерживать в массах стремление к познанию причинных связей. Но эта великая миссия — быть хранительницей одного из самых ценных идеалов человечества — показывает также, до какой степени наука может существовать ради самой науки. Сообщество ученых можно уподобить органу тела всего человечества, который питается его кровью и выделяет жизненно важный гормон, необходимый всем частям этого тела, чтобы оно не погибло. Это вовсе не значит, что каждый человек должен до пресыщения пичкать себя ученостью и разными научными фактами… Не поможет в решении научных вопросов и широкая гласность. Но каждому мыслящему человеку надо предоставить возможность познакомиться с большими научными проблемами его эпохи, даже если его положение в обществе не позволяет ему посвятить значительную долю своего времени и сил размышлениям над теоретическими проблемами. Только выполняя эту важную задачу, наука приобретает, с точки зрения общества, права на существование.
С этой точки зрения я и хочу рассказать далее о важном эксперименте, касающемся света, или электромагнитного излучения, и выполненном примерно год назад американским физиком Комптоном. Чтобы понять полностью значение эксперимента, мы должны представить себе то чрезвычайно странное положение, в котором находится теперь учение об излучении…»